张成岗(CZ)的博客世界分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zcgweb 脑损伤与脑保护;神经认知;生物信息;蛋白质组;辐射损伤与防护

博文

[转载]图论〔Graph Theory〕是数学的一个分支

已有 332 次阅读 2020-10-30 14:59 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

https://baike.baidu.com/item/%E5%9B%BE%E8%AE%BA/1433806?fr=aladdin


本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。

图论〔Graph Theory〕是数学的一个分支。它以为研究对象。图论中的图是由若干给定的点及连接两点的线所构成的图形,这种图形通常用来描述某些事物之间的某种特定关系,用点代表事物,用连接两点的线表示相应两个事物间具有这种关系。

  • 中文名

  • 图论

  • 外文名

  • Graph Theory

  • 提出者

  • 欧拉

  • 提出时间

  • 1736年

  • 适用领域

  • 数学

  • 应用学科

  • 数学

目录

  1. 1 概述

  2. 2 起源

  3. 3 猜想

  4. 4 拓扑学

  5. 5 拓扑学与图论的关联

  6.  简介

  7.  概述

  8.  性质

概述

编辑

图G=(V,E)是一个二元组(V,E)使得E⊆[V]的平方,所以E的元素是V的2-元子集。为了避免符号上的混淆,我们总是默认V∩B=Ø。集合V中的元素称为图G的定点(或节点、点),而集合E的元素称为边(或线)。通常,描绘一个图的方法是把定点画成一个小圆圈,如果相应的顶点之间有一条边,就用一条线连接这两个小圆圈,如何绘制这些小圆圈和连线时无关紧要的,重要的是要正确体现哪些顶点对之间有边,哪些顶点对之间没有边。 [1] 

图论本身是应用数学的一部份,因此,历史上图论曾经被好多位数学家各自独立地建立过。关于图论的文字记载最早出现在欧拉1736年的论著中,他所考虑的原始问题有很强的实际背景

起源

编辑

众所周知,图论起源于一个非常经典的问题——柯尼斯堡(Konigsberg)问题。

1738年,瑞士数学家欧拉( Leornhard Euler)解决了柯尼斯堡问题。由此图论诞生。欧拉也成为图论的创始人。

1859年,英国数学家汉密尔顿发明了一种游戏:用一个规则的实心十二面体,它的20个顶点标出世界著名的20个城市,要求游戏者找一条沿着各边通过每个顶点刚好一次的闭回路,即“绕行世界”。用图论的语言来说,游戏的目的是在十二面体的图中找出一个生成圈。这个生成圈后来被称为汉密尔顿回路。这个问题后来就叫做汉密尔顿问题。由于运筹学计算机科学编码理论中的很多问题都可以化为汉密尔顿问题,从而引起广泛的注意和研究。

猜想

编辑

在图论的历史中,还有一个最著名的问题--四色猜想。这个猜想说,在一个平面或球面上的任何地图能够只用四种颜色来着色,使得没有两个相邻的国家有相同的颜色。每个国家必须由一个单连通域构成,而两个国家相邻是指它们有一段公共的边界,而不仅仅只有一个公共点。这一问题最早于1852年由Francis Guthrie提出,最早的文字记载则现于德摩根于同一年写给哈密顿的信上。包括凯莱、肯普等在内的许多人都曾给出过错误的证明。泰特(Tait)、希伍德(Heawood)、拉姆齐和哈德维格(Hadwiger)对此问题的研究与推广引发了对嵌入具有不同亏格曲面的图的着色问题的研究。一百多年后,四色问题仍未解决。1969年,Heinrich Heesch发表了一个用计算机解决此问题的方法。1976年,阿佩尔(Appel)和哈肯(Haken)借助计算机给出了一个证明,此方法按某些性质将所有地图分为1936类并利用计算机,运行了1200个小时,验正了它们可以用四种颜色染色。四色定理是第一个主要由电脑证明的理论,这一证明并不被所有的数学家接受,因为采用的方法不能由人工直接验证。最终,人们必须对电脑编译的正确性以及运行这一程序的硬件设备充分信任。主要是因为此证明缺乏数学应有的规范,以至于有人这样评论“一个好的数学证明应当像一首诗——而这纯粹是一本电话簿!”

虽然四色定理证明了任何地图可以只用四个颜色着色,但是这个结论对于现实上的应用却相当有限。现实中的地图常会出现飞地,即两个不连通的区域属于同一个国家的情况(例如美国的阿拉斯加州),而制作地图时我们仍会要求这两个区域被涂上同样的颜色,在这种情况下,四个颜色将会是不够用的。

20世纪80-90年代曾邦哲的综合系统论(结构论)观将“四色猜想”命题转换等价为“互邻面最大的多面体四面体”。每个地图可以导出一个图,其中国家都是点,当相应的两个国家相邻时这两个点用一条线来连接。所以四色猜想是图论中的一个问题。它对图的着色理论、平面图理论、代数拓扑图论等分支的发展起到推动作用。

(下图是在上下对折再左右对折以后形成一个轮胎形状,有7个区域两两相连,就是说在一个环面上作图,需要7种颜色,外国数学家构造林格证明:Np=[(7+√1+48p)/2],p=1,N1=7。

图论的广泛应用,促进了它自身的发展。20世纪40-60年代,拟阵理论、超图理论 、极图理论,以及代数图论、拓扑图论等都有很大的发展。

拓扑学

编辑

几何拓扑学是十九世纪形成的一门数学分支,它属于几何学的范畴。有关拓扑学的一些内容早在十八世纪就出现了。那时候发现一些孤立的问题,后来在拓扑学的形成中占着重要的地位。

数学上,关于哥尼斯堡七桥问题多面体欧拉定理、四色问题等都是拓扑学发展史的重要问题。

哥尼斯堡(今俄罗斯加里宁格勒)是东普鲁士的首都,普莱格尔河横贯其中。十八世纪在这条河上建有七座桥,将河中间的两个岛和河岸联结起来。人们闲暇时经常在这上边散步,一天有人提出:能不能每座桥都只走一遍,最后又回到原来的位置。这个问题看起来很简单有很有趣的问题吸引了大家,很多人在尝试各种各样的走法,但谁也没有做到。看来要得到一个明确、理想的答案还不那么容易。

1736年,有人带着这个问题找到了当时的大数学家欧拉,欧拉经过一番思考,很快就用一种独特的方法给出了解答。欧拉把这个问题首先简化,他把两座小岛和河的两岸分别看作四个点,而把七座桥看作这四个点之间的连线。那么这个问题就简化成,能不能用一笔就把这个图形画出来。经过进一步的分析,欧拉得出结论--不可能每座桥都走一遍,最后回到原来的位置。并且给出了所有能够一笔画出来的图形所应具有的条件。这是拓扑学的“先声”。

在拓扑学的发展历史中,还有一个著名而且重要的关于多面体定理也和欧拉有关。这个定理内容是:如果一个凸多面体的顶点数是v、棱数是e、面数是f,那么它们总有这样的关系:f+v-e=2。

根据多面体的欧拉定理,可以得出这样一个有趣的事实:只存在五种正多面体。它们是正四面体正六面体正八面体正十二面体正二十面体

拓扑学与图论的关联

编辑

简介

著名的“四色问题”也是与拓扑学发展有关的问题。四色问题又称四色猜想,是世界近代三大数学难题之一。

四色猜想的提出来自英国。1852年,毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时,发现了一种有趣的现象:“看来,每幅地图都可以用四种颜色着色,使得有共同边界的国家都被着上不同的颜色。”

1872年,英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题,于是四色猜想成了世界数学界关注的问题。世界上许多一流的数学家都纷纷参加了四色猜想的大会战。1878~1880年两年间,著名律师兼数学家肯普和泰勒两人分别提交了证明四色猜想的论文,宣布证明了四色定理。但后来数学家赫伍德以自己的精确计算指出肯普的证明是错误的。不久,泰勒的证明也被人们否定了。于是,人们开始认识到,这个貌似容易的题目,其实是一个可与费马猜想相媲美的难题。

进入20世纪以来,科学家们对四色猜想的证明基本上是按照肯普的想法在进行。电子计算机问世以后,由于演算速度迅速提高,加之人机对话的出现,大大加快了对四色猜想证明的进程。1976年,美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明。不过不少数学家并不满足于计算机取得的成就,他们认为应该有一种简捷明快的书面证明方法

上面的几个例子所讲的都是一些和几何图形有关的问题,但这些问题又与传统的几何学不同,而是一些新的几何概念。这些就是“拓扑学”的先声。

概述

拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学,也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科。我国早期曾经翻译成“形势几何学”、“连续几何学”、“一对一的连续变换群下的几何学”,但是,这几种译名都不大好理解,1956年统一的《数学名词》把它确定为拓扑学,这是按音译过来的。

拓扑学是几何学的一个分支,但是这种几何学又和通常的平面几何、立体几何不同。通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关系以及它们的度量性质。拓扑学对于研究对象的长短、大小、面积、体积等度量性质和数量关系都无关。

举例来说,在通常的平面几何里,把平面上的一个图形搬到另一个图形上,如果完全重合,那么这两个图形叫做全等形。但是,在拓扑学里所研究的图形,在运动中无论它的大小或者形状都发生变化。在拓扑学里没有不能弯曲的元素,每一个图形的大小、形状都可以改变。例如,前面讲的欧拉在解决哥尼斯堡七桥问题的时候,他画的图形就不考虑它的大小、形状,仅考虑点和线的个数。这些就是拓扑学思考问题的出发点。

性质

拓扑性质有那些呢?首先我们介绍拓扑等价,这是比较容易理解的一个拓扑性质。

在拓扑学里不讨论两个图形全等的概念,但是讨论拓扑等价的概念。比如,尽管圆和方形、三角形的形状、大小不同,在拓扑变换下,它们都是等价图形。左图的三样东西就是拓扑等价的,换句话讲,就是从拓扑学的角度看,它们是完全一样的。

在一个球面上任选一些点用不相交的线把它们连接起来,这样球面就被这些线分成许多块。在拓扑变换下,点、线、块的数目仍和原来的数目一样,这就是拓扑等价。一般地说,对于任意形状的闭曲面,只要不把曲面撕裂或割破,他的变换就是拓扑变换,就存在拓扑等价。

应该指出,环面不具有这个性质。比如像左图那样,把环面切开,它不至于分成许多块,只是变成一个弯曲的圆桶形,对于这种情况,我们就说球面不能拓扑的变成环面。所以球面和环面在拓扑学中是不同的曲面。

直线上的点和线的结合关系、顺序关系,在拓扑变换下不变,这是拓扑性质。在拓扑学中曲线和曲面的闭合性质也是拓扑性质。

我们通常讲的平面、曲面通常有两个面,就像一张纸有两个面一样。但德国数学家莫比乌斯(1790~1868)在1858年发现了莫比乌斯曲面。这种曲面就不能用不同的颜色来涂满两个侧面。

拓扑变换的不变性、不变量还有很多,这里不在介绍。

拓扑学建立后,由于其它数学学科的发展需要,它也得到了迅速的发展。特别是黎曼创立黎曼几何以后,他把拓扑学概念作为分析函数论的基础,更加促进了拓扑学的进展。

二十世纪以来,集合论被引进了拓扑学,为拓扑学开拓了新的面貌。拓扑学的研究就变成了关于任意点集的对应的概念。拓扑学中一些需要精确化描述的问题都可以应用集合来论述。

因为大量自然现象具有连续性,所以拓扑学具有广泛联系各种实际事物的可能性。通过拓扑学的研究,可以阐明空间的集合结构,从而掌握空间之间的函数关系。本世纪三十年代以后,数学家对拓扑学的研究更加深入,提出了许多全新的概念。比如,一致性结构概念、抽像距概念和近似空间概念等等。有一门数学分支叫做微分几何,是用微分工具来研究曲线、曲面等在一点附近的弯曲情况,而拓扑学是研究曲面的全局联系的情况,因此,这两门学科应该存在某种本质的联系。1945年,美籍华人数学家陈省身建立了代数拓扑和微分几何的联系,并推进了整体几何学的发展。

拓扑学发展到今天,在理论上已经十分明显分成了两个分支。一个分支是偏重于用分析的方法来研究的,叫做点集拓扑学,或者叫做分析拓扑学。另一个分支是偏重于用代数方法来研究的,叫做代数拓扑。现时,这两个分支又有统一的趋势。 拓扑学在泛函分析、李群论、微分几何、微分方程和其他许多数学分支。

词条图册更多图册

概述图册

概述图册(1)

数学·包含学科

14 逻辑与基础▪ 1410:演绎逻辑学▪ 1420:证明论▪ 1430:递归论▪ 1440:模型论▪ 1450:公理集合论▪ 1460:数学基础▪ 1499:数理逻辑与数学基础其他学科
17 数论▪ 1710:初等数论▪ 1720:解析数论▪ 1730:代数数论▪ 1740:超越数论▪ 1750:丢番图逼近▪ 1760:数的几何▪ 1770:概率数论▪ 1780:计算数论▪ 1799:数论其他学科
21 代数学▪ 2110:线性代数▪ 2115:群论▪ 2120:域论▪ 2125:李群▪ 2130:李代数▪ 2135:Kac-Moody代数▪ 2140:环论▪ 2145:模论▪ 2150:格论▪ 2155:泛代数理论▪ 2160:范畴论▪ 2165:同调代数▪ 2170:代数K理论▪ 2175:微分代数▪ 2180:代数编码理论▪ 2199:代数学其他学科
27 几何学▪ 2710:几何学基础▪ 2715:欧氏几何学▪ 2720:非欧几何学▪ 2725:球面几何学▪ 2730:向量和张量分析▪ 2735:仿射几何学▪ 2750:分数维几何▪ 2740:射影几何学▪ 2745:微分几何学▪ 2755:计算几何学▪ 2799:几何学其他学科
31 拓扑学▪ 3110:点集拓扑学▪ 3115:代数拓扑学▪ 3120:同伦论▪ 3125:低维拓扑学▪ 3130:同调论▪ 3135:维数论▪ 3140:格上拓扑学▪ 3145:纤维丛论▪ 3150:几何拓扑学▪ 3155:奇点理论▪ 3160:微分拓扑学▪ 3199:拓扑学其他学科
34 数学分析▪ 3410:微分学▪ 3420:积分学▪ 3430:级数论▪ 3499:数学分析其他学科
41 函数论▪ 4110:实变函数论▪ 4120:单复变函数论▪ 4130:多复变函数论▪ 4140:函数逼近论▪ 4150:调和分析▪ 4160:复流形▪ 4170:特殊函数论▪ 4199:函数论其他学科
44 常微分方程▪ 4410:定性理论▪ 4420:稳定性理论▪ 4430:解析理论▪ 4499:常微分方程其他学科
47 偏微分方程▪ 4710:椭圆型偏微分方程▪ 4720:双曲型偏微分方程▪ 4730:抛物型偏微分方程▪ 4740:非线性偏微分方程▪ 4799:偏微分方程其他学科
51 动力系统▪ 5110:微分动力系统▪ 5120:拓扑动力系统▪ 5130:复动力系统▪ 5199:动力系统其他学科
57 泛函分析▪ 5710:线性算子理论▪ 5715:变分法▪ 5720:拓扑线性空间▪ 5725:希尔伯特空间▪ 5730:函数空间▪ 5735:巴拿赫空间▪ 5740:算子代数▪ 5745:测度与积分▪ 5750:广义函数论▪ 5755:非线性泛函分析▪ 5799:泛函分析其他学科
61 计算数学▪ 6110:插值法与逼近论▪ 6120:常微分方程数值解▪ 6130:偏微分方程数值解▪ 6140:积分方程数值解▪ 6150:数值代数▪ 6160:连续问题离散化方法▪ 6170:随机数值实验▪ 6180:误差分析▪ 6199:计算数学其他学科
64 概率论▪ 6410:几何概率▪ 6420:概率分布▪ 6430:极限理论▪ 6440:随机过程▪ 6450:马尔可夫过程▪ 6460:随机分析▪ 6470:鞅论▪ 6480:应用概率论▪ 6499:概率论其他学科
67 数理统计学▪ 6710:抽样理论▪ 6715:假设检验▪ 6720:非参数统计▪ 6725:方差分析▪ 6730:相关回归分析▪ 6735:统计推断▪ 6740:贝叶斯统计▪ 6745:试验设计▪ 6750:多元分析▪ 6755:统计判决理论▪ 6760:时间序列分析▪ 6799:数理统计学其他学科
71 应用统计数学▪ 7110:统计质量控制▪ 7120:可靠性数学▪ 7130:保险数学▪ 7140:统计模拟▪ 7199:应用统计数学其他学科
74 运筹学▪ 7410:线性规划▪ 7415:非线性规划▪ 7420:动态规划▪ 7425:组合最优化▪ 7430:参数规划▪ 7435:整数规划▪ 7440:随机规划▪ 7445:排队论▪ 7450:对策论▪ 7460:决策论▪ 7455:库存论▪ 7465:搜索论▪ 7470:图论▪ 7475:统筹论▪ 7480:最优化▪ 7499:运筹学其他学科
其他二级学科▪ 11:数学史▪ 24:代数几何学▪ 37:非标准分析▪ 54:积分方程▪ 77:组合数学▪ 81:离散数学▪ 84:模糊数学▪ 87:应用数学▪ 99:数学其他学科

学科前数字为国家标准学科代码

  • 参考资料

    • 1.  Reinhard Diestel.图 论: 第四版:清华大学出版社,2013




http://wap.sciencenet.cn/blog-40692-1256360.html

上一篇:[转载]图神经网络学习记录:《图神经网络综述:模型与应用》
下一篇:[转载]应游戏而生的数学图论,多栖发展的数学家哈密顿,传奇人生

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-12-2 14:51

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部