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边连通度

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边连通度(edge connectivity)是使一个连通无向图变得不连通所需删除的最少边数,记为 λ(G)。它衡量图的连接对边失效的承受能力。本文讨论至少两个顶点的有限无向简单图;对已经不连通的图取 λ(G)=0。

一条桥的删除就能切断图,所以有桥的连通图边连通度为一;环的边连通度为二,因为删任意一条边仍有一条贯穿全部顶点的路径,删两条不同边则会断开。与顶点连通度相比,这里删除的对象是边,边两端顶点均保留。

从删边改写为最小割

对非空真顶点子集 S⊂V,令 δ(S)={uv∈E:u∈S, v∉S} 为跨越 S 与其补集的图割。则 λ(G)=min∅≠S⊊V#δ(S).

证明。 删除 δ(S) 后,两侧均有顶点却没有跨边,不可能有连接两侧的路径,因此任何这样的割都是一种删边断图方案,给出“删边最小数不大于割最小数”。反过来,若删除边集 F 后断开,取结果图的一个连通分量顶点集 S。原图中所有跨越两侧的边都必已被删除,故 δ(S)⊆F,于是割最小数不大于 #F。两向取最小值得到等式。[1]

这使上界和下界具有不同的检查方式:给出一个小割得到上界;证明每个非平凡割都足够大得到下界。

五顶点轮图的全部割下界

取外围四环 a,b,c,d,a,再加中心 o 及四条辐射边。单独取 S={a} 时,跨边恰为 ab,ad,ao,所以 λ(G)≤3。

轮图中虚圈包围外围顶点a,三条相接边ab、ad、ao跨越虚圈
删除这三条跨边会使a孤立,给出边连通度至多三的证据。

为证明没有一边或两边割,考虑任意非平凡割。交换两侧不改变跨边,因此可令中心在补集一侧;S 就是非空外围顶点集。设 k=#S,其中 1≤k≤4。每个所选外围点有一条通向中心的辐射边,所以已有 k 条跨边。

若 k=1,外围环再贡献两条边,割大小为三。若 k=2,相邻两点的环边界有两条,对顶两点的环边界有四条,因此割大小至少四。若 k=3,未选外围点的两条环边均跨界,割大小为五。若 k=4,没有外围跨边,但四条辐射边全部跨界,割大小为四。由此所有割大小至少三,结合上界得到 λ(G)=3. 这是一份覆盖全部割的证明,无需逐一列出所有非空真子集。

最小度、桥与树

选择一个最小度顶点 v,删除它的全部关联边便使它孤立,故 λ(G)≤δ(G). 这里 δ(G) 是最小度,与表示边割的 δ(S) 使用了同一个传统字母,括号中的对象可区分它们。图的最小度为零时本来不连通,上式也相容。

反向一般不成立。用一条边连接两个三角形,两端连接点的度为三,其余点的度为二,所以最小度是二;中间连接边却是桥,边连通度为一。两侧各自有绕行,并不能补上两区域之间仅有的一条连接。

对至少两顶点的树,每条边都是桥,所以边连通度为一。证明是:删一条边若两端仍有另一条路径,将这条路径与被删边合起来会构成环,与树无环矛盾。这也说明在连通图中,边连通度为一当且仅当存在桥。

变式与加边的影响

变式。 在主例中删除辐射边 oa。顶点 a 度为二,所以边连通度至多二,边集 {ab,ad} 确实使其孤立。另一方面,每条剩余边仍在某个环上:四条外围边都在外围四环上;辐射边 ob,oc 在三角形 obco 上,od 在三角形 ocdo 上。因此没有桥,删一条边不会断开,边连通度至少二。新值恰为二。

在固定顶点集上增加边,每个割的边数都不减,因此最小割大小也不减。若新边两端位于某个原最小割的同侧,这个割的大小保持原值;这时整体边连通度也保持原值。判断增加哪条连接能提升可靠性,需要检查所有达到最小值的割,而不仅是某一个局部度数。

边连通度只计边数。若每条边都有不同建设费用、容量或失效概率,需另行定义加权割或概率模型;把边数三解释为“三倍可靠”并无数学依据。

参考文献

  1. ↑ Reinhard Diestel:Graph Theory, Chapter 1,第六版,2025年,§1.4,边连通与最小度上界。访问日期:2026-10-22。