CĐ2 - Bài 8: Một vài khái niệm cơ bản
Lý thuyết chi tiết và bài tập có lời giải CĐ2 - Bài 8: Một vài khái niệm cơ bản — SGK Chuyên đề Toán 11 Kết nối tri thức.
I. Khái niệm đồ thị
Một đồ thị $G = (V, E)$ bao gồm hai tập hợp:
- $V$ là tập hợp các điểm gọi là các đỉnh của đồ thị $G$.
- $E$ là tập hợp các đoạn thẳng hoặc đường cong nối các cặp đỉnh gọi là các cạnh của $G$.
• Đồ thị đơn: Đồ thị không có khuyên (cạnh nối 1 đỉnh với chính nó) và không có cạnh bội (nhiều cạnh cùng nối 1 cặp đỉnh).
• Đồ thị đầy đủ $K_n$: Đồ thị đơn gồm $n$ đỉnh mà giữa hai đỉnh bất kì luôn có một cạnh nối.
II. Bậc của đỉnh và Định lí bắt tay
• Bậc của đỉnh $v$: Số cạnh nối với đỉnh $v$ được gọi là bậc của đỉnh $v$, kí hiệu là $deg(v)$.
• Định lí bắt tay: Trong mọi đồ thị vô hướng $G = (V, E)$, tổng bậc của tất cả các đỉnh bằng hai lần số cạnh:
$$\sum_{v \in V} deg(v) = 2|E|$$• Hệ quả: Số đỉnh bậc lẻ trong một đồ thị luôn là một số chẵn.
III. Đường đi, chu trình và tính liên thông
- Đường đi: Dãy các đỉnh $v_0, v_1, \dots, v_k$ sao cho $(v_i, v_{i+1})$ là cạnh của đồ thị. Độ dài đường đi là $k$ (số cạnh).
- Chu trình: Đường đi kín có đỉnh đầu trùng đỉnh cuối ($v_0 = v_k$).
- Đồ thị liên thông: Đồ thị mà giữa hai đỉnh bất kì luôn có ít nhất một đường đi nối chúng.
🔷 Dạng 1: Xác định tập đỉnh, tập cạnh & Bậc của đỉnh
Liệt kê $V = \{v_1, v_2...\}$ và $E = \{e_1, e_2...\}$. Đếm số cạnh gắn vào từng đỉnh để suy ra $deg(v)$.
Cho đồ thị $G$ gồm các đỉnh $V = \{A, B, C, D\}$ và các cạnh $E = \{AB, BC, CD, DA, AC\}$. Tìm bậc của từng đỉnh.
Xem lời giải
• Các cạnh nối với $A$: $AB, DA, AC \Rightarrow deg(A) = 3$.
• Các cạnh nối với $B$: $AB, BC \Rightarrow deg(B) = 2$.
• Các cạnh nối với $C$: $BC, CD, AC \Rightarrow deg(C) = 3$.
• Các cạnh nối với $D$: $CD, DA \Rightarrow deg(D) = 2$.
Đồ thị đầy đủ $K_5$ có mấy đỉnh và mấy cạnh? Bậc của mỗi đỉnh bằng bao nhiêu?
Xem lời giải
• $K_5$ có 5 đỉnh.
• Số cạnh $|E| = C_5^2 = \dfrac{5 \times 4}{2} = 10$ cạnh.
• Mỗi đỉnh nối với 4 đỉnh còn lại $\Rightarrow deg(v) = 4$ với mọi đỉnh $v$.
📝 Thực hành — Dạng 1
Cho đồ thị $K_4$. Tổng bậc của 4 đỉnh bằng bao nhiêu?
Xem lời giải
Mỗi đỉnh có bậc 3 $\Rightarrow$ Tổng bậc $= 4 \times 3 = 12$ (bằng $2 \times 6$ cạnh).
Có tồn tại đơn đồ thị nào có 5 đỉnh mà bậc của các đỉnh là $2, 3, 3, 4, 4$ không?
Xem lời giải
Tổng bậc $= 2 + 3 + 3 + 4 + 4 = 16$ (chẵn), số đỉnh bậc lẻ là 2 (chẵn) $\Rightarrow$ Tồn tại đồ thị như vậy.
🔷 Dạng 2: Áp dụng Định lí bắt tay $\sum deg(v) = 2|E|$
Dùng công thức $|E| = \dfrac{1}{2} \sum_{v \in V} deg(v)$ để tính số cạnh của đồ thị.
Một đồ thị có 6 đỉnh, mỗi đỉnh đều có bậc bằng 3. Hỏi đồ thị đó có bao nhiêu cạnh?
Xem lời giải
• Tổng bậc tất cả các đỉnh $= 6 \times 3 = 18$.
• Số cạnh $|E| = \dfrac{18}{2} = 9$ cạnh.
Đồ thị $G$ có 10 cạnh. Biết $G$ có 4 đỉnh bậc 3 và các đỉnh còn lại bậc 2. Tìm tổng số đỉnh của $G$.
Xem lời giải
• Tổng bậc $= 2 |E| = 2 \times 10 = 20$.
• Gọi $x$ là số đỉnh bậc 2. Tổng bậc $= 4(3) + x(2) = 12 + 2x = 20 \Rightarrow 2x = 8 \Rightarrow x = 4$.
• Tổng số đỉnh của $G$ là $4 + 4 = 8$ đỉnh.
📝 Thực hành — Dạng 2
Có thể có một nhóm gồm 9 người mà mỗi người bắt tay đúng với 3 người khác không?
Xem lời giải
Tổng bậc $= 9 \times 3 = 27$ (lẻ) $\Rightarrow$ Không thể xảy ra theo định lí bắt tay.
Một đồ thị có 8 cạnh, 3 đỉnh bậc 4, các đỉnh còn lại bậc 1. Đồ thị có bao nhiêu đỉnh?
Xem lời giải
$3(4) + x(1) = 2(8) = 16 \Rightarrow 12 + x = 16 \Rightarrow x = 4 \Rightarrow$ Tổng cộng $3 + 4 = 7$ đỉnh.
🔷 Dạng 3: Xét tính liên thông, Tìm đường đi & Chu trình
Liệt kê dãy các đỉnh kề nhau để chỉ ra đường đi hoặc chu trình. Kiểm tra xem có cặp đỉnh nào không nối với nhau qua bất kì đường đi nào không để xét tính liên thông.
Cho đồ thị $G$ gồm các đỉnh $\{A, B, C, D, E\}$ và cạnh $\{AB, BC, CD, DA\}$. Đồ thị này có liên thông không? Đỉnh $E$ là loại đỉnh gì?
Xem lời giải
• $deg(E) = 0 \Rightarrow E$ là đỉnh cô lập.
• Không có đường đi từ $E$ đến $A, B, C, D \Rightarrow$ Đồ thị $G$ **không liên thông**.
Tìm một chu trình có độ dài 4 trong hình vuông $ABCD$ (đồ thị $G$ với các đỉnh $A, B, C, D$ và các cạnh nối các đỉnh kề).
Xem lời giải
Chu trình $A \to B \to C \to D \to A$ có độ dài 4 cạnh.
📝 Thực hành — Dạng 3
Đồ thị đầy đủ $K_n$ với $n \ge 3$ có luôn liên thông không?
Xem lời giải
Có, vì hai đỉnh bất kì luôn có cạnh nối trực tiếp.
Độ dài nhỏ nhất của một chu trình trong đơn đồ thị vô hướng bằng bao nhiêu?
Xem lời giải
Bằng 3 (tam giác).
🔷 Dạng 4: Mô hình hóa thực tế bằng đồ thị
Quy đổi các đối tượng thực tế (người, thành phố, máy tính...) thành các đỉnh và các mối quan hệ (quen biết, đường giao thông, kết nối mạng...) thành các cạnh.
Có 5 thành phố A, B, C, D, E. Có các chuyến bay nối: A-B, A-C, B-C, C-D, D-E. Vẽ đồ thị biểu diễn và cho biết thành phố nào có nhiều đường bay nhất.
Xem lời giải
• Bậc của các đỉnh: $deg(A) = 2, deg(B) = 2, deg(C) = 3, deg(D) = 2, deg(E) = 1$.
• Thành phố C có nhiều đường bay nhất (3 tuyến bay).
Có thể nối 7 máy tính sao cho mỗi máy tính được nối trực tiếp với đúng 3 máy tính khác không?
Xem lời giải
Không thể, vì nếu có thì tổng bậc sẽ là $7 \times 3 = 21$ (số lẻ), vi phạm định lí bắt tay.
📝 Thực hành — Dạng 4
Một giải bóng đá có 6 đội thi đấu vòng tròn 1 lượt (mỗi đội đá với 5 đội khác đúng 1 trận). Hỏi giải có tất cả bao nhiêu trận đấu?
Xem lời giải
Mô hình đồ thị đầy đủ $K_6 \Rightarrow |E| = C_6^2 = 15$ trận đấu.
Trong một hội nghị có 20 người. Chứng minh luôn tìm được ít nhất 2 người có cùng số người quen trong hội nghị.
Xem lời giải
Đồ thị có 20 đỉnh, bậc của mỗi đỉnh $\in \{0, 1, ..., 19\}$. Không thể đồng thời có đỉnh bậc 0 và đỉnh bậc 19. Áp dụng nguyên lí Dirichlet cho 20 đỉnh vào 19 giá trị bậc $\Rightarrow$ Tồn tại 2 đỉnh có cùng bậc.
📝 Bài tập tự luận — Tổng hợp
Bài 1. Định nghĩa đồ thị đơn vô hướng.
Xem lời giải
Đồ thị $G=(V,E)$ không có khuyên và không có cạnh bội.
Bài 2. Phát biểu Định lí bắt tay.
Xem lời giải
$\sum deg(v) = 2|E|$.
Bài 3. Số đỉnh bậc lẻ trong một đồ thị là số chẵn hay lẻ?
Xem lời giải
Luôn là một số chẵn.
Bài 4. Đồ thị đầy đủ $K_n$ có bao nhiêu cạnh?
Xem lời giải
$\dfrac{n(n-1)}{2}$.
Bài 5. Một đồ thị có 5 đỉnh, bậc lần lượt là $3, 3, 2, 2, 4$. Tính số cạnh.
Xem lời giải
Tổng bậc $= 14 \Rightarrow |E| = 7$ cạnh.
Bài 6. Thế nào là đồ thị liên thông?
Xem lời giải
Mọi cặp đỉnh đều có đường đi nối với nhau.
Bài 7. Đỉnh cô lập là đỉnh như thế nào?
Xem lời giải
Là đỉnh có bậc bằng 0 (không nối với cạnh nào).
Bài 8. Chu trình là đường đi thỏa mãn điều kiện gì?
Xem lời giải
Là đường đi có đỉnh đầu và đỉnh cuối trùng nhau.
Bài 9. Đồ thị $K_4$ có bao nhiêu cạnh?
Xem lời giải
$C_4^2 = 6$ cạnh.
Bài 10. Nếu đồ thị có 10 đỉnh và mỗi đỉnh có bậc 4 thì đồ thị có mấy cạnh?
Xem lời giải
$10 \times 4 / 2 = 20$ cạnh.
🎯 Bài tập trắc nghiệm tự luyện
Làm các câu hỏi sau để củng cố toàn bộ kiến thức về Khái niệm đồ thị. Hệ thống sẽ hiển thị kết quả và lời giải chi tiết ngay khi bạn trả lời.
Ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm Khái niệm đồ thị
Hàng trăm câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra và tự đánh giá năng lực ngay!
🚀 Làm bài trắc nghiệm →