二分图又称作二部图,是图论中的一种特殊模型。 设G=(V,E)是一个无向图,如果顶点V可分割为两个互不相交的子集(A,B),并且图中的每条边(i,j)所关联的两个顶点i和j分别属于这两个不同的顶点集(i in A,j in B),则称图G为一个二分图。
简而言之,就是顶点集V可分割为两个互不相交的子集,并且图中每条边依附的两个顶点都分属于这两个互不相交的子集。
定义:无向图G = <V,E,Y>称为二分图(bipartite graph),如果有非空集合X,Y使X∪Y = V,X∩Y = Æ,且对每一eÎE,Y(e) = (x, y),xÎX,yÎY。此时常用<X,E,Y>表示二分图G。若对X中任一x及Y中任一y恰有一边eÎE,使Y(e) = (x, y), 则称G为完全二分图(complete bipartite graph)。当|X| = m,|Y| = n时,完全二分图G记为Km,n。
例1 图1中(b)为二分图,(c)为完全二分图K3,3,(a),(d), (e)不是二分图。
二分图的下列特征性是重要的。
定理 无向图G为二分图的充分必要条件是,G至少有两个顶点,且其所有回路的长度均为偶数。
证 先证必要性。
设G为二分图<X,E,Y>。由于X,Y非空,故G至少有两个顶点。若C为G中任一回路,令
C = ( v0,v 1,v2,…,v l-1,v l = v0 )
其中诸vi ( i = 0,1,…,l )必定相间出现于X及Y中,不妨设
{v0,v2,v4,…, v l = v0} Í X
{v1,v3,v5,…, v l-1} Í Y
因此l必为偶数,从而C中有偶数条边。
再证充分性。
设G的所有回路具有偶数长度,并设G为连通图(不失一般性,若G不连通,则可对G的各连通分支作下述讨论)。
令G的顶点集为V,边集为E,现构作X,Y,使<X,E,Y> = G。取v0ÎV,置
X = {v | v= v0或v到v0有偶数长度的通路}
Y = V-X
X显然非空。现需证Y非空,且没有任何边的两个端点都在X中或都在Y中。
由于|V|≥2并且G为一连通图,因此v0必定有相邻顶点,设为v1,那么v1ÎY;故Y不空。
设有边(u, v), 使uÎX,vÎX。那么,v0到u有偶数长度的通路,或u = v0;v0到v有偶数长度的通路,或v = v0。无论何种情况,均有一条从v0到v0的奇数长度的闭路径,因而有从v0到v0的奇数长度的回路(因从闭路径上可能删去的回路长度总为偶数),与题设矛盾。故不可能有边(u, v)使u, v均在X中。
“没有任何边的两个端点全在Y中”的证明可仿上进行,请读者思考。
二分图是十分有用的一种数学模型,许多问题可以用它来刻划。例如“资源分配”、“工作安排”、“人员择偶”等等。但是,利用二分图分析解决这类问题时,还需要有关二分图的另一个概念——匹配。