数据结构学习笔记——图的基本知识
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数据结构学习笔记——图的基本知识相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
一、图的结构
- 树和图一样，也是一种
非线性结构，线性结构中的数据元素之间是“一对一”的关系，树形结构中的数据元素之间是“一对多”的关系，而图中的数据元素之间是“多对多”的关系，每个数据元素可以有多个直接前驱和多个直接后继，即图的结构是网状结构。
注：图与线性表、树不一样，线性表、树可以为空表、空树，但图不能为空图。
二、图的定义
- 图是由一个非空的顶点集合V（
顶点集）和一个描述顶点之间关系——边的有限非空集合E（边集）所组成的一种数据结构，记为G=（V，E），其中图的顶点集V不一定为空，而图的边集E可以为空。
（一）有向图和无向图
按照图中的边是否有方向性，可以分为有向图和无向图。
1、无向图和无向完全图
无向图中每条边都没有方向，一般用圆括号“（）”表示两个顶点之间的边，若边中带有数据信息，则称为权，（vi，vj）表示顶点vi和顶点vj之间的无向边。【带权的无向图称为无向网】
上图可表示为：
G=（V，E）
V= V1，V2，V3，V4
E= （V1，V2），（V1，V3），（V2，V1），（V2，V3），（V2，V4），（V3，V4）
若一个无向图中，若每个顶点都有一条边连接，则称为无向完全图，可知：
- ✨在一个含有n个顶点的无向完全图中，共有
n(n-1)/2条边。
例如，下面就是一个无向完全图，n=4，含有6条边：
2、有向图和有向完全图
有向图中每条边都有方向，一般用尖括号“<>”表示两个顶点之间的首尾关系，<vi，vj>表示从顶点vi到顶点vj的弧，同样，若弧中带有数据信息，也称为权。<vi，vj>其中第一项vi称为弧尾，第二项vj称为弧头，也称为顶点vi邻接到顶点vj。【带权的有向图称为有向网】
上图可表示为：
G=（V，E）
V= V1，V2，V3，V4
E= <V2，V1>，<V2，V3>，<V2，V4>，<V3，V1>，<V4，V3>
若一个有向图中，若每个顶点都有互相相反的两条弧连接，则称为有向完全图，可知：
- ✨在一个含有n个顶点的有向完全图中，共有
n(n-1)条弧。
例如，下面就是一个有向完全图，n=4，含有12条弧，每个顶点都有相互的弧连接：
（二）度的概念
1、无向图的度
在无向图中，对于一个顶点，其边的个数称为该顶点的度，记为TD(v)，例如，下面这个无向图中：
各结点的度为：
TD(V1)=2
TD(V2)=3
TD(V3)=3
TD(V4)=2
2、有向图的度
在有向图中，对于一个顶点，该结点的度等于顶点的入度+顶点的出度，
该结点的弧头数目称为入度，记为ID(v)；结点的弧尾数目称为出度，记为OD(v)，即TD(v)=ID(v)+OD(v)：
例如，下面这个有向图中：
各结点的度为：
ID(V1)=2，OD(V1)=0
ID(V2)=0，OD(V2)=3
ID(V3)=2，OD(V3)=1
ID(V4)=1，OD(V4)=1
TD(V1)=ID(V1)+OD(V1)=2+0=2
TD(V2)=ID(V2)+OD(V2)=0+3=3
TD(V3)=ID(V3)+OD(V3)=2+1=3
TD(V4)=ID(V4)+OD(V4)=1+1=2
- ✨对于一个含有n个结点，e条边的图，顶点vi的度与顶点的个数以及边的数目满足以下关系：
例如，对于上面这个有向图，e=5=1/2(2+3+3+2)=5，满足关系式。
（三）路径、路径长度和简单路径
路径，即一个顶点到另一个顶点经过的顶点序列，路径上边或弧的数目称为路径长度；若顶点序列中的各顶点不同，则称这样的路径称为简单路径。
这个无向图中，顶点V2到顶点V3的路径有：
V2→V1→V3，路径长度为2
V2→V4→V3，路径长度为2
V1→V3，路径长度为1
另外，例如V2→V1→V3就是一个简单路径，其顶点序列中的各顶点不同。
（四）回路和简单回路
在一个路径中，若起始结点与结束结点相同，则称该路径为一个回路或环；另外，除了第一个结点和最后一个结点外，若顶点序列中的各顶点不同，则称这样的路径称为简单回路
例如，上面这个无向图中，V2→V1→V3→V2是一个回路，V2→V3→V4→V2也是一个回路，同样，V2→V1→V3→V4→V2也是一个回路，这些回路中，除了第一个结点和最后一个结点外，若顶点序列中的各顶点不同，它们也都是简单回路。
（五）距离
若从一个顶点到另一个顶点之间的最短路径存在，这称该路径的长度为该结点到另一个结点的距离，若两个结点之间不存在路径，则记距离为无穷（∞ ）。
三、图的相关知识
（一）简单图、多重图
若一个图满足以下条件，则称为简单图：
1、没有重复的边；
2、不存在顶点到其自身的边；
反之，则为多重图。
例如，以下都是简单图：
（二）子图
对于两个图G1=（V1，E2）和G2=（V1，E2），若V2是V1的子集，且E2是E1的子集，则称G2是G1的子图，另外若有V(G2)=V(G1)的子图G2，则称其为G1的生成子图。
例如上面，G2是G1的子图。
（三）连通图
1、连通图、连通分量（对于无向图）
在无向图中，若一个顶点到另一个顶点存在路径，则称这两个结点是连通的，另外，若无向图中任意两个结点都是连通的，则称为连通图，否则为非连通图；无向图的极大连通子图称为连通分量。
- ✨若一个含有n个顶点的无向连通图，该图中最少有n-1条边。
- ✨若一个无向图为连通图，则其连通分量只有一个，为该图自身，而非连通的无向图可以有多个连通分量。
例如下面，这是一个非连通的无向图G，并不是任意两个结点都是连通的：
可知该无向图有两个连通分量G1、G2：
2、强连通图、强连通分量（对于有向图）
在一个有向图中，任意两个不同的顶点都存在相互之间的路径，则称为强连通图；同样，有向图的极大强连通子图称为强连通分量。
- ✨若一个有向图为强连通图，则其强连通分量只有一个，为该图自身，而非强连通的有向图可以有多个强连通分量。
例如下面，这是一个非强连通的有向图G，并不是任意两个结点都是连通的：
可知该有向图有两个连通分量G1、G2：
（四）稀疏图、稠密图
一个图G=（V，E），边的个数为e，n为顶点数，则当e<nlog2n，则称为稀疏图，反之则为稠密图。
四、生成树、生成森林
在一个连通图中，若该图的一个子图是一棵包含该图所有顶点的树，则称为该图的生成树，即包含图中所有结点的一个极小连通子图，另外若该图含有n个顶点，则生成树含有n-1条边。
在非连通图中，由于非连通的无向图可以有多个连通分量，连通分量的生成树可以构成一个该非连通图的生成森林。
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