逻辑、策略与经典模型 · 图论

一笔画与奇偶顶点

先查连通,再数奇点,用回路拼接把路线构造出来。

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01

先判定,再亲手走一遍

左、右两个三角形共用顶点 O,边为 OA、AB、BO、OC、CD、DO。每条边恰好走一次,顶点允许重复经过,能否从 O 出发再回到 O?再加一条 OF,会怎样?圆点 I 没有连接边。

初始:O为4度,A、B、C、D各2度,I为0度。有边部分连通。

对应左侧当前图形

0 个奇点

双三角形:可闭合

先核对连通与度数,再点击下一步逐边走。青绿粗线表示已走过的边,圆点只表示顶点。

度数从整张图计算,不随行走减少;已走边数另行显示。金色填充和“奇”字共同标记奇度顶点。

02

学习准备与规则

学习目标

  • 把一笔画转为有限无向图的边遍历。
  • 说明奇点判据的必要性与充分性。
  • 用回路拼接构造路线,并逐条核查。
  • 识别孤立点、不连通和交叉点的边界。

必要前置

会判断奇偶、成对计数和读简单连线图。顶点(vertex)表示连接点,边(edge)表示可走的线段或曲线,度(degree)是接在一个顶点上的边端数。奇度顶点简称奇点,偶度顶点简称偶点。

本页 S 班深度是项目编排,重点为证明、构造和反例,不声称是特定机构官方课纲。例题和练习均为自拟。

一笔画究竟限制什么?

不抬笔、不重复边、不漏边。允许反向走边,也允许多次经过同一顶点。这样的路线称为欧拉迹(Euler trail);起终点相同则为欧拉回路(Euler circuit)。它与“每个顶点恰好访问一次”的问题不同。

本页讨论有限无向图,至少有一条边。曲线长短和绘制比例不影响判定。平行边分别计数;自环在同一顶点接入两端,度数增加2。只有明确标作连接点的交叉才算顶点;桥梁上下跨越而不接通时不能在交叉处换路。

03

判据为什么成立?

先忽略孤立点(度为0的点)。剩余部分连通时:奇点0个,可以一笔闭合;奇点2个,可以从一个奇点走到另一个奇点;奇点超过2个,不能一笔画。若剩余部分不连通,无论奇点数多少,都不能走完全部边。

必要性:进入与离开配对

对不是起终点的顶点,每次进入都必须沿另一条未用边离开,使用的边端成对。要走完所有边,它的度必须为偶数。起点和终点若不同,起点先有一次离开,终点最后有一次进入,各多出一个未配对的边端,因此恰好这两点是奇度。起终点若相同,最先离开和最后进入也能配对,于是所有顶点偶度。

任何一条边都贡献两个边端,所以度数总和为 2m(m为边数)。偶数度的总和为偶数,奇数度的个数也必为偶数。因此“不可能只有1个或3个奇点”是对图本身的约束,不能靠反复试走改变。

充分性一:全偶图,沿未用边走出闭回路

  1. 从任一有边顶点 s 出发,每次取一条未走边,直到当前点再无未走边。图的边有限,所以过程会停止。
  2. 不能停在 s 以外的点:若走到某点却不能离开,已使用的边端为奇数;但该点原度为偶数,应至少还剩一条边。矛盾。因此终点一定是 s,形成闭回路。
  3. 若还有边没走,利用原图的连通性,可以在已走回路上找到一个仍接着未走边的顶点 v。否则已走顶点与剩余边之间完全隔开,违背连通。
  4. 走过闭回路后,每个顶点被拿掉偶数条边,剩余度仍为偶数。故从 v 沿剩余边又能得到一个闭回路。在原路线经过 v 时插入它,再继续原路线。
  5. 每次至少加入一条新边,且边数有限。重复拼接直到无剩余边,得到覆盖每条边恰好一次的闭合路线。

充分性二:两个奇点,先补成全偶图

设两个奇点为 u、v,临时添加一条 u—v 边(即使已有同端点边,也把临时边看作独立平行边)。u、v的度各增加1,全部变偶,且仍连通。由上面的拼接法得到欧拉回路。把回路在临时边处剪开,并删除临时边,剩下的就是原图从一个奇点到另一个奇点的欧拉迹。临时边只用于证明,不是原题中允许额外行走的路。

“随便走都能直接完成”并非结论。任取未用边可能先形成一个小闭回路;若还有边,须保留回路并继续拼接。存在路线与某次贪心走法成功,是两件事。

04

完整例题:从判定到构造

例题一|共顶点双三角形与尾边

无向图边为 OA、AB、BO、OC、CD、DO,另有孤立点 I。问能否一笔闭合?若再加 OF,能否一笔闭合、一笔不闭合?请给路线。

  1. 数度:O为4,A、B、C、D各为2,I为0。忽略I,两个三角形通过O连接;奇点数0。
  2. 构造闭合路线:先走 O→A→B→O,再在O插入 O→C→D→O,得到 O→A→B→O→C→D→O。6步对应6条不同边,闭合成立。
  3. 加尾边:O为5,F为1,其余度不变,恰好两个奇点。不能闭合,必须在O、F之间起终。
  4. 给出开放路线:F→O→A→B→O→C→D→O。共7步,覆盖原6边和OF,恰好各一次;反向走也成立。

不能从A开始走完加尾边后的全部边,因为A是偶点,不能充当两个不同端点中的一个。

例题二|四个奇点,最少补几条边?

无向图有 A、B、C、D 四个顶点,每两点之间恰有一条边,六条边为 AB、AC、AD、BC、BD、CD。允许在任意两点间新加独立边,平行边可以。最少添加几条边能一笔画?最少添加几条才能一笔闭合?

  1. 原图:各点度为3,4个奇点且连通,不能一笔画。
  2. 只求能一笔画:添加一条 AB′,A、B变4度,C、D仍3度。奇点降到2,已有欧拉迹。0条不行,因此最少1条。
  3. 核对构造:C→A→B→C→D→A→B→D。其中先走原AB,后走新增AB′。7步各用一条独立边,从奇点C到奇点D。
  4. 要求闭合:一条新边最多使两个奇点变偶,4个奇点至少要2条边。加 AB′、CD′ 后各点4度,全部变偶且连通,故最少2条。
  5. 闭合路线:A→B→C→D→A→C→D→B→A。其中两次C—D分别用原CD和CD′;两次A—B分别用原AB和AB′。8条边各用一次,回到A。

平行边必须分别编号检查。若题目禁止重边或限制可添加的位置,最小值需要重新分析,本题结论不能直接照搬。

05

迁移练习

练习一|房子图能从屋顶出发吗?

正方形 A—B—C—D—A(按周边次序),屋顶点E分别连B、C。仅有 AB、BC、CD、DA、BE、CE 六条边,没有其他边。能否一笔画?能否从E出发?给出一条合法路线。

展开完整解析

A、D、E各2度,B、C各3度;图连通,恰有两个奇点B、C。因此可以从B到C或反向,不能从偶点E出发。

路线为 B→A→D→C→B→E→C。依次用 BA、AD、DC、CB、BE、EC,六边不同且完整,起于B终于C。度数和2+3+3+2+2=12=2×6。

练习二|零奇点为何还不够?

图由两个没有共同点、没有连接边的三角形 A—B—C—A 与 D—E—F—D 组成,另有孤立点I。能否一笔画?若只加一条新边C—D,能否一笔画、能否闭合?给路线。

展开完整解析

原图六个非孤立顶点都是2度,但忽略I之后仍有两个含边分量,不能一笔画。孤立点I不是失败原因,两个三角形分离才是。

补CD后,有边部分连通,C、D各从2度变3度,其余为2度,恰好两个奇点,所以可以一笔画而不能闭合。路线 C→A→B→C→D→E→F→D,共7条边,起终点C、D。补一条边同时改变了连通性和两端度的奇偶。

06

反例、易错与回顾

说法核查与反例
奇点0个,就一定能一笔画分离的两个三角形反例:仍须先查有边部分连通。
只要图连通就可以四支路星形连通,4个叶顶点奇度,仍不可以。
经过同一个顶点两次就是重复限制对象是边。双三角形必须多次经过O。
起点随便选有两个奇点时必须选一个奇点起步;全偶图可从任意有边顶点开始。
平行边算一条,自环算一次平行边独立计数;自环贡献2个边端,度增加2。
线条交叉必能转弯要看是否为真实连接点;桥梁交叉且不接通不能换路。

做题顺序:明确连接关系和边的身份 → 忽略孤立点并查连通 → 数度和奇点 → 确定端点 → 拼接回路 → 按边清单逐条验算。

本页不讨论有向边的判据,也不求所有路线的数量。没有边的退化图可约定为长度0的行走,但不属于本页“至少有一条边”的判据范围。

07

逐章回看

文字稿默认展开;点击章节标题可定位到视频对应讲解。

一笔画要求每条边恰好走一次,顶点可以重复。先看所有有边的部分是否连通。

两个三角形共用顶点O。O连着四条边,其余顶点各连两条,所以没有奇度顶点。

为什么看奇偶?每经过一个中途顶点,进入和离开的两条边配成一对。

只有不同的起点和终点,才能各剩一条。因此奇度顶点只能有零个或两个。

零个奇点时,先从O走完左三角形,回到O。右边还有边,不能就此结束。

在O插入右三角形的闭回路,就把两段拼成一笔。有限条边,每次加入新边,最终走完。

再给O加一条通往F的尾边。O变成五度,F是一度,恰有两个奇点。

从F出发,经O走完两个三角形,最后停在O。两个奇点必须是起点和终点。

注意:没有边的孤立点可以忽略。但两块互不相连的三角形,即使全部偶度,也不能一笔走完。

记住顺序:先查连通,再数奇点,最后构造并检查每条边恰好一次。

08

范围与图示说明

图形只表示连接关系,不表示实际距离、行走速度或比例。青绿为已走边,金色并标“奇”的顶点为奇点。演示中的度数是原图度数。孤立点I在可行模型中保留,用于说明“忽略孤立点后连通”的条件。

定理参考 Oscar Levin 的 Euler Trails and Circuits;本页采用进出配对与回路拼接自行展开证明。例题和练习是自拟教学题。

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