图论中,边收缩是指将一个的其中一个边移除,并将被移除边的两个顶点合并,同时保持与被移除边之顶点相连的其他顶点之连接关系的一种变换,为图子式理论中的基本算子之一,然而此种变换不一定是图论中的变换,亦可以作用于拓朴结构甚至是几何体,例如边收缩二十面体,即正二十面体经过一次边收缩变换后的像。另一种与边收缩类似的图论变换为点合并(vertex contraction)是边收缩变换的一个广义形式。

对于边uv的边收缩(G / {uv})示意图。

定义

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边收缩是一种作用于边上的变换,因此其需作用于特定的边,令其计为e,并令e所连接的两个顶点计为u和v,而边收缩会使顶点u和v合并成一个新的顶点w,并使原本与u和v相连的所有边都连到w。通常一系列的边进行边收缩变换的先后顺序不会影响结果,换句话说即边收缩是一个具有交换律的变换[2]

边收缩变换有时会计为 G / e,类似于 G \ e,但 G \ e 指的是完全将e从G中移除。

 
不产生多重边的边收缩算法。

根据下述的几个定义,边收缩可能会导致多重边的形成,也就是产生了有至少二个边的二个顶点完全相同、至少有二个顶点可以由二个边相连接的图,即使原本的图是一个简单图,也可能导致变换结果为伪图[4]

正式定义

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G=(V,E)是一个图,亦可以是有向图或无向图,并令e=(u,v)是图G中的其中一个边,且uv。 定义f是一个图论变换函数,其可以将除了{u,v}外的所有顶点(V\{u,v})映射(或变换)到本身,其余情况则映射到新顶点w。而针对e的边收缩变换函数其变换后的像可以表示为:

G′=(V′,E′)

其中V′为除了{u,v}外的所有顶点与{w}的联集(V′=(V\{u,v})∪{w})、E′为除了e之外的所有边(E′=E\{e})。对所有的xVx′=f(x)∈V′,若边eEx相连则边e′E′x′相连,反之亦然。

用途

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边收缩或点合并可以用于图论的数学归纳法,尤其是对于使用图之边或顶点个数的数学归纳法很有帮助,因为我们可以透过先假设某特性在所有较小的图皆成立,并透过将该特性推导到较大的图来证明。

相关变换

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点合并

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点合并 (Vertex identification)是指将两个不一定落在同一条边上的顶点合并成一个顶点,并将原本与旧顶点相连的顶点改连接到这个合并而成的新顶点。

简化

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简化,又称为平滑(smoothing),是边收缩的一个特例,当边收缩选定的边其中一个顶点的度为2,则该变换又可称为简化(或平滑)。其逆变换称为细分

当一个图套用平滑变换之后,其所产生的新图会与原图同胚。

几何形状的边收缩

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当一个几何形状是具有点可递性质时,我们可以对该多面体进行边收缩变换,其变换结果至少会少一条边,且必定会少一个顶点,而面和边数量的变化则要看所选的边是哪一种多边形的边,例如三角形面会消失,若边重合则会再多减少一条边。例如正二十面体套用边收缩变换之后少掉了2个三角形面、少掉了3条边(2个三角形退化成边并与原有边重合因此被移除)和一个顶点。

 
正二十面体
 
边收缩二十面体

参见

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参考文献

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  1. ^ Gross, Jonathan; Yellen, Jay, Graph Theory and its applications, CRC Press, 1998, ISBN 0-8493-3982-0 
  2. ^ Gross & Yellen 1998[1], p. 264
  3. ^ Rosen, Kenneth, Discrete Mathematics and Its Applications 7th, McGraw-Hill, 2011, ISBN 9780073383095 
  4. ^ Rosen 2011[3], p. 664
  1. Oxley, James, Matroid Theory, Oxford University Press, 1992 
  2. West, Douglas B., Introduction to Graph Theory 2nd, Prentice-Hall, 2001, ISBN 0-13-014400-2 

外部链接

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