点与线的数学
大学离散数学 · 图论的第一课

点与线的数学

图,不过是「一些点 + 一些连线」。可它摇身一变,就成了朋友圈、地铁网、分子,甚至整个互联网。

●
顶点 · 点
+
—
边 · 线
=
🕸️
图
📷
图片 / 照片
不是它。今天不聊画得好看不好看。
🕸️
数学的「图」
就是它。只关心"谁和谁连着",不关心位置和大小。
友 站 网 子 路 ?
同一个形状,换个名字就是不同的东西——这就是图的威力。
01

亲手画一个图

数学里管点叫顶点(vertex),管连线叫边(edge)。别急着背,动手玩一下。

点击空白 加一个点 按住一个点 拖出虚影 虚影放另一个点 松手连线 虚影放空白 移动这个点 双击点 删掉它
顶点 0 边 0

按住一个点会拖出虚影(原点不动):放到另一个点上松手=连线;放到空白处=把这个点移过去。图只看谁和谁连着。

同样的「点 + 线」,装进不同生活场景,换个名字继续用:

👥 人→ 朋友关系网 🚇 站→ 地铁线路 ⚛️ 原子→ 分子结构 📄 网页→ 互联网 🚦 路口→ 城市道路
02

图,也分门派

有的边能"回头",有的带数字,有的像麻绳一样多条并排。点下面的标签,看差别。

无向图

边没有方向。我和你是朋友,你也是我的朋友——线是"互通"的。

例子:微信好友 · 家庭关系

有向图

每条边都带着箭头,只往一个方向走。我关注你,你不一定关注我。

例子:微博关注 · 单向交通
8364

带权图

边上挂着数字(权)——可以是公里、时间、花费。

例子:地图导航 · 运输成本
自环重边

自环 · 重边

自环:一点连自己;重边:两点之间有好几条线。它们是"加料版",有些场合才让用。

例子:同时有多条航班 · 债券环

来试一下:地铁线路图,是无向还是有向?  

03

一个点,有多"忙"?

一个点连着的边数,就叫它的度(degree)。点一下图里的任意顶点。

点一下一个顶点,看它的度 👆

🌟 握手定理:一场派对,每个人握手若干次。数一下所有人握手次数之和——等于 2 × 握手次数。因为每一次握手,都被两个人的手各数了一次。图上同理:每条边被它的两个端点各数一次。

04

走一走在图里面

图是用来"走"的。先点起点,再点终点,然后按"出发",看它怎么找路。

1 先点起点(起点先变琥珀色) 2 再点终点
挑两个点试试。

💡 为什么它找的是最短路?因为它像水波一样一圈一圈往外扩散,水波先碰到终点时,走的圈数就是最短的——这个算法叫 BFS(广度优先)。虚线是抄近路的"捷径"。

05

树:不会成环的图

树(tree)是一种特别的图:6 个点连成一片,又没有环。下面 6 个点之间可以搭 7 条线,点一下线来开/关。目标:搭出一棵树。

边数 0/7 连通 ? 成环 ?
开始搭吧:把边开开关关。

💡 任何一棵 n 个点的树,都有恰好 n−1 条边。6 个点 → 5 条边。

🌳 现实中的"树"无处不在:家谱、电脑的文件夹、族谱……都是"一根主干分叉,绝不回头成圈"的结构。

06

一笔画:欧拉的成名作

图论最出名的游戏:每条边只走一次,能不能画完?这就是 1736 年欧拉解决的「柯尼斯堡七桥」问题。

先点一个顶点落笔,然后沿着边滑动,把每条边都走一遍。

已画 0/5

🔑 欧拉的大发现:数数每个点的度是奇数还是偶数—— 0 个奇度点能画成圈(回到起点); 2 个奇度点能从一头画到另一头; ≥4 个奇度点——神仙也画不出来。

07

涂色:相邻不能同色

相邻的两个点,颜色不能相同。给这个五角环涂色,看看你最少能用几种颜色。

先选一个颜色 再点一个顶点涂上去
已用颜色 0 种
把 5 个点都涂上吧。

🧩 地图也能变成图:每块区域是一个点,接壤就连一条线。给地图染色 = 给图染色。

AB CD
四块区域(A/B/C/D)→ 四个点;接壤的边画出来,就是一张图。

🎨 著名结论四色定理:任何一张平面地图,4 种颜色永远够用。但像五角环这种图,3 种就够了。

08

小测验

四处点点看,答错也没关系,每题都会告诉你为什么。

Q1握手定理说的是:
每一条边都有两个端点,数「度」时它被两头的点各算了一次,所以总和是 2×边数。
Q2一棵树有 6 个点,它有几条边?
树连成一片又没环,边数永远 = 点数 − 1,所以是 5 条。
Q3柯尼斯堡七桥为什么画不出一笔画?
欧拉的结论:奇度点 0 个能画成圈,2 个能画通,超过 2 个就不可能。七桥有 4 个奇度点。
Q4给五角环染色,相邻不同色,最少要几种?
奇数长度的环,转一圈回来会撞色,最少要 3 种。
答对 0 / 4
继续加油~
09

一图总览

点一下任意概念,跳回对应的实验再玩一遍。

点+边顶点与边 门派有向/无向… 度点有多忙 路径怎么走最近 树不成环 一笔画欧拉 染色相邻不重色 图点 + 边
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离散数学的「图」,就是帮你把复杂的关系,画成看得见、玩得动的形状。

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