第6章 樹與生成樹
6.1 樹保留可達性,不保留多餘的環
樹是頂點非空、連通且無簡單環的有限簡單無向圖。連通給任兩點至少一條道路。若有兩條不同道路連接同一對端點,沿共同開頭走到第一次分岔,接著沿其中一條走到第一次再遇上另一條。這一段和另一條道路的對應段只在兩端相接,因此形成環。反過來,在非空圖中,若任兩點間恰有一條道路,圖必連通;若有環,環上相鄰兩點可由該邊或沿環的另一側相連,矛盾。
一棵至少兩點的樹必有度數為 1 的葉:取一條最長道路,端點若還有別的鄰點,鄰點不在道路上就可延長,在道路上則形成環。刪葉與它的唯一邊後仍連通無環,因其他兩點間的道路不可能經葉當中繼。以單點 0 條邊起算,歸納得 n 點樹有 n−1 條邊。
非空連通圖若有環,刪掉其中一邊。任何原本用到該邊的道路,都可改走環的其餘邊,得到同端點的 walk,再剪掉重複點成道路。因此刪邊後仍連通。有限次刪除後得到保留全部頂點的連通無環子圖,這就是生成樹。故非空連通的 n 點圖至少有 n−1 條邊;若恰有 n−1 條,原圖已是樹。無環圖有 c 個分量時,每個分量是一棵樹,合計 n−c 條邊。
6.2 四個例題
例題1 環上刪一邊不會斷開
圖 A 到 D 的邊為 AB、BC、AC、CD。刪 AC,還有 A→B→C;剩 AB、BC、CD 連成四點道路,沒有環且含全部頂點,是一棵生成樹。
例題2 只數 n−1 不足以判樹
在 A 到 D 上取 AB、BC、AC,邊數為 4−1,但前三點成環,D 孤立。對非空的 n 點圖,若已知連通,n−1 條邊即保證是樹;若已知無環,由 n−c=n−1 得 c=1,也可推出是樹。
例題3 森林可從分量讀邊數
頂點 A 到 G,邊 AB、BC、DE、DF。分量 ABC、DEF、G 都無環;邊數分別 2、2、0,合計 4=7−3。孤立點也是一棵單點樹。
例題4 生成樹不一定唯一
三角形 AB、BC、AC,任刪一邊都留下三點道路,故有三棵生成樹。原圖的環邊是選項,不是要保留的必要邊。
6.3 練習
- B10-C06-Q01 單點、零邊的圖是樹嗎?該點是葉嗎?
- B10-C06-Q02 七點樹的邊數及度數和?
- B10-C06-Q03 A 到 E,邊 AB、AC、AD、DE。列出葉。
- B10-C06-Q04 在上一題,B 到 E 的唯一道路?
- B10-C06-Q05 五點連通簡單圖有四條邊,必是樹嗎?
- B10-C06-Q06 五點無環圖有兩個連通分量,幾條邊?
- B10-C06-Q07 四邊形 AB、BC、CD、AD,刪 BC 後仍連通嗎?
- B10-C06-Q08 四點圖只有 AB、CD,是否有生成樹?
- B10-C06-Q09 從至少兩點的樹刪去任一邊,還能連通嗎?
- B10-C06-Q10 若是 n≥2 點的道路圖,有幾個葉?
6.4 完整解答
Q01
是樹:非空、自身可達、無環。該點度數是 0,本冊定義葉為度數 1,因此不是葉。
Q02
樹有 7−1=6 邊,每邊兩端,度數和 12。
Q03
A 度 3、D 度 2;B、C、E 度 1,因此葉是 B、C、E。
Q04
先從 B 到其唯一鄰點 A,再沿 AD、DE,為 B,A,D,E。樹性排除任何另一條道路。
Q05
是。若有環,刪一邊仍連通,只剩三邊,違反連通的五點圖至少四邊。
Q06
每個分量是樹,分量內點數各減一再加,等於 5−2=3。
Q07
是,B,A,D,C 是涵蓋四個頂點的道路,所以剩下是連通的三邊樹。
Q08
無。選子集合只會刪邊,不會創造跨分量的邊;保留全點的子圖不可能連通。
Q09
不能;若兩端仍有道路,加回被刪的邊便形成一個環,違反樹的無環性。
Q10
首尾各接一條邊,其餘點各接前後兩條。故只有兩端是葉;例如五點道路的葉是 A、E。