平面圖轉換成對偶圖的應用


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一個圖G=(V,E),若能將其畫在平面上,且任意兩條邊的交點只能是G的頂點,則稱G可嵌入平面,或稱G是可平面的。可平面圖在平面上的一個嵌入稱為一個平面圖。如下圖左邊黑色的圖為平面圖,右邊紅色的圖不屬於平面圖:

 

由平面圖的邊包圍而成,其中不含圖的頂點。也稱為面。包圍面R的所有邊組成的回路稱為該面的邊界,回路長度稱為該面的度,記為deg(R)。具有相同邊界的面稱為相鄰面。由平面圖的邊包圍且無窮大的面稱為外部面。一個平面圖有且只有一個外部面。如下面的平面圖中,R0是外部面R0與R1, R2, R3均相鄰。deg(R0)=8, deg(R1)=4, deg(R2)=5(R2經過的頂點序列為v7-v4-v6-v4-v5-v7), deg(R3)=1:
 

 

利用歐拉公式和數學歸納法可以證明平面圖G的所有面的度之和等於其邊數|E|的2倍,即:
對偶圖的應用
下面我們引入對偶圖,設有平面圖G=(V,E),滿足下列條件的圖G'= (V',E') 稱為圖G的對偶圖:G的任一面Ri內有且僅有一點Vi';對G的域Ri和Rj的共同邊界Ek,畫一條邊Ek'=(Vi',Vj')且只與Ek交於一點;若Ek完全處於Ri中,則Vi'有一自環Ek',如下圖G'是G的對偶圖:

 

1 最大流的應用
    如果網絡流中的圖G可以轉化為一個平面圖,那么其對偶圖G'中的環對應G中的割,利用最大流最小割定理轉化模型,根據平面圖G'與其對偶圖的關系,先求出最小割。首先連接s和t,如下圖藍色虛線,得到一個附加面,我們設附加面對應的點為s',無界面對應的點為t',求該圖的紅色的對偶圖G',最后刪去s'和t'之間的邊:
 

 

一條從s'到t'的路徑,就對應了一個s-t割,更進一步,如果我們令每條邊的長度等於它的容量,那么最小割的容量就等於最短路的長度。這樣時間復雜度大大降低了。
注意 如果是有向邊,那么就統一順時針旋轉90度


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