如何证明有向无环图中至少存在一个入度为零的顶点?

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我可以直观地看到这个假设是正确的,但从数学上我无法证明。任何帮助将不胜感激。

algorithm graph-theory directed-acyclic-graphs topological-sort
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让这个图有n个顶点。

假设我们反转所有边,那么我们试图证明存在一个出度为零的顶点。

如果不是,则只需从任意位置开始并沿 n 条边行进(每个顶点的出度始终可能为非零)。因此我们已经访问了 n+1 个顶点 - 因此其中至少有 2 个顶点必须是相同的(鸽子洞原理),因此我们在非循环图中找到了一个循环。


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让我们用数学来证明它。

考虑有向图 G = (V, E),其中 V 表示顶点的集合,E 表示边的集合。

为了矛盾起见,假设存在一个没有零度顶点的 DAG G。

令 v 表示 G 中的任意顶点。不存在入度为零的顶点,因此每个顶点必须至少有一条入边。

设 u 为存在有向边 (u, v) 的顶点。鉴于 v 有入边,我们可以得出结论 u 必须存在。然而,由于 u 是边 (u, v) 的原点,因此它还需要有一个传入边。

按照这个逻辑,每个顶点 v 必须有另一个带有入边 (u, v) 的顶点 u。

图中的顶点数量是有限的,因此这个过程不能永远持续下去。结果,我们最终必须到达一个没有传入边的顶点。

鉴于这一矛盾,我们关于必须存在一个没有入度为零的顶点的 DAG 的假设必定是不正确的。结果,每个 DAG 中必须至少有一个入度为零的顶点。

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