Вполне несвязные графы . Граф, у которого множество ребер пусто, называется вполне несвязным (или пустым) графом. Будем обозначать вполне несвязный граф с п вершинами через N n ; N 4 показан на рис. 1. Заметим, что у вполне несвязного графа все вершины изолированы. Вполне несвязные графы не представляют особого интереса.
Полные графы . Простой граф, в котором любые две вершины смежны, называется полным графом. Полный граф с n вершинами обычно обозначается через. Графы и изображены на рис. 2 и 3. имеет ровно n (n - 1)/2 ребер.
Регулярные графы . Граф, у которого все вершины имеют одну и ту же степень, называется регулярным графом. Если степень каждой вершины равна r, то граф называется регулярным степени r. Регулярные графы степени 3, называемые также кубическими (или трехвалентными) графами (см., например, рис. 2 и 4). Другим известным примером кубического графа является так называемый граф Петерсена, показанный на рис. 5. Отметим, что каждый вполне несвязный граф является регулярным степени 0, а каждый полный граф К n - регулярным степени n - 1.
Платоновы графы . Среди регулярных графов особенно интересны так называемые Платоновы графы - графы образованные вершинами и ребрами пяти правильных многогранников - платоновых тел: тетраэдра, куба, октаэдра, додекаэдра и икосаэдра. Граф соответствует тетраэдру (рис. 2); графы, соответствующие кубу и октаэдру, показаны на рис. 5 и 6;
Двудольные графы . Допустим, что множество вершин графа можно разбить на два непересекающихся подмножества V 1 и V 2 так, что каждое ребро в G соединяет какую-нибудь вершину из V 1 с какой-либо вершиной из V 2 (рис. 7);
тогда G называется двудольным графом. Такие графы иногда обозначают G(V 1, V 2), если хотят выделить два указанных подмножества. Двудольный граф можно определить и по-другому - в терминах раскраски его вершин двумя цветами, скажем красным и синим. При этом граф называется двудольным, если каждую его вершину можно окрасить красным или синим цветом так, чтобы любое ребро имело один конец красный, а другой - синий. Следует подчеркнуть, что в двудольном графе совсем не обязательно каждая вершина из V 1 соединена с каждой вершиной из V 2 ; если же это так и если при этом граф G простой, то он называется полным двудольным графом и обычно обозначается где m, n - число вершин соответственно в V 1 и V 2 . Например, на рис. 8 изображен граф K 4 , 3 . Заметим, что граф имеет ровно m + n вершин и mn ребер. Полный двудольный граф вида называется звездным графом; на рис. 9 изображен звездный граф.
Связные графы . Граф связный, если его нельзя представить в виде объединения двух графов, и несвязный в противном случае. Очевидно, что всякий несвязный граф G можно представить в виде объединения конечного числа связных графов - каждый из таких связных графов называется компонентой (связности) графа G. (На рис. 10 изображен граф с тремя компонентами.) Доказательство некоторых утверждений для произвольных графов часто бывает удобно сначала провести для связных графов, а затем применить их к каждой компоненте в отдельности.
МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 2
Подготовил
Легкоконец Владислав, ученик 10А класса
Практическое применение Теории Графов
Руководитель
Л.И. Носкова, учитель математики
ст.Брюховецкая
2011 г.
1.Введение………………………………………………………………………….………….3
2.История возникновения теории графов………………………………………….………..4
3.Основные определения и теоремы теории графов……………………………….………6
4.Задачи,решаемые при помощи графов……………………………..……………………..8
4.1 Знаменитые задачи………………………………….………………………...8
4.2 Несколько интересных задач………………………………….……………..9
5.Применение графов в различных областях жизни людей……………………………...11
6.Решение задач……………………………………………………………………………...12
7. Заключение………………….…………………………………………………………….13
8. Список литературы………….……………………………………………………………14
9.Приложение…………………………………………………………………….…………15
Введение
Родившись при решении головоломок и занимательных игр, теория графов стала в настоящее время простым, доступным и мощным средством решения вопросов, относящихся к широкому кругу проблем. Графы буквально вездесущи. В виде графов можно, например, интерпретировать схемы дорог и электрические цепи, географические карты и молекулы химических соединений, связи между людьми и группами людей. За последние четыре десятилетия теория графов превратилась в один из наиболее бурно развивающихся разделов математики. Это вызвано запросами стремительно расширяющейся области приложений. Применяется при проектировании интегральных схем и схем управления, при исследовании автоматов, логических цепей, блок- схем программ, в экономике и статистике, химии и биологии, в теории расписаний. Поэтому актуальность темы обусловлена с одной стороны популярностью графов и связанных с ними методов исследований, а с другой, не разработанная, целостная система ее реализации.
Решение многих жизненных задач требует длинных вычислений, а иногда и эти вычисления не приносят успеха. В этом и состоит проблема исследования . Возникает вопрос: нельзя ли для их решения найти простое, рациональное, короткое и изящное решение. Упрощается ли решение задач, если использовать графы? Это определило тему моего исследования : «Практическое применение теории графов»
Целью исследования было с помощью графов научиться быстро решать практические задачи.
Гипотеза исследования. Метод графов очень важен и широко применяется в различных областях науки и жизнедеятельности человека.
Задачи исследования:
1.Изучить литературу и ресурсы сети Интернет по данной проблеме.
2.Проверить эффективность метода графов при решении практических задач.
3. Сделать вывод.
Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты несомненно вызовут интерес у многих людей. Разве не пытался кто-то из вас построить генеалогическое дерево своей семьи? А как это сделать грамотно? Руководителю транспортного предприятия наверняка приходится решать проблему более выгодного использования транспорта при перевозке грузов с места назначения в несколько населенных пунктов. Каждый школьник сталкивался с логическими задачами на переливание. Оказывается они решаются при помощи графов легко.
В работе используются следующие методы: наблюдение, поиск, отбор, анализ.
История возникновения теории графов
Родоначальником теории графов принято считать математика Леонарда Эйлера (1707-1783). Историю возникновения этой теории можно проследить по переписке великого ученого. Вот перевод латинского текста, который взят из письма Эйлера к итальянскому математику и инженеру Маринони, отправленного из Петербурга 13 марта 1736 года.
"Некогда мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто семь мостов.
[Приложение рис.1] Спрашивается, может ли кто-нибудь непрерывно обойти их, проходя только однажды через каждый мост. И тут же мне было сообщено, что никто еще до сих пор не мог это проделать, но никто и не доказал, что это невозможно. Вопрос этот, хотя и банальный, показался мне, однако, достойным внимания тем, что для его решения недостаточны ни геометрия, ни алгебра, ни комбинаторное искусство. После долгих размышлений я нашел легкое правило, основанное на вполне убедительном доказательстве, с помощью которого можно во всех задачах такого рода тотчас же определить, может ли быть совершен такой обход через какое угодно число и как угодно расположенных мостов или не может. Кенигсбергские же мосты расположены так, что их можно представить на следующем рисунке [Приложение рис.2] , на котором A обозначает остров, а B ,C иD – части континента, отделенные друг от друга рукавами реки
По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал:
"Это решение по своему характеру, по-видимому, имеет мало отношения к математике, и мне непонятно, почему следует скорее от математика ожидать этого решения, нежели от какого-нибудь другого человека, ибо это решение подкрепляется одним только рассуждением, и нет необходимости привлекать для нахождения этого решения какие-либо законы, свойственные математике. Итак, я не знаю, каким образом получается, что вопросы, имеющие совсем мало отношения к математике, скорее разрешается математиками, чем другими".
Так можно ли обойти Кенигсбергские мосты, проходя только один раз через каждый из этих мостов? Чтобы найти ответ, продолжим письмо Эйлера к Маринони:
"Вопрос состоит в том, чтобы определить, можно ли обойти все эти семь мостов, проходя через каждый только однажды, или нельзя. Мое правило приводит к следующему решению этого вопроса. Прежде всего, нужно смотреть, сколько есть участков, разделенных водой, – таких, у которых нет другого перехода с одного на другой, кроме как через мост. В данном примере таких участков четыре – A , B , C , D . Далее нужно различать, является ли число мостов, ведущих к этим отдельным участкам, четным или нечетным. Так, в нашем случае к участку A ведут пять мостов, а к остальным – по три моста, т. е. Число мостов, ведущих к отдельным участкам, нечетно, а этого одного уже достаточно для решения задачи. Когда это определено, применяем следующее правило: если бы число мостов, ведущих к каждому отдельному участку, было четным, то тогда обход, о котором идет речь, был бы возможен, и в то же время можно было бы начать этот обход с любого участка. Если же из этих чисел два были бы нечетные, ибо только одно быть нечетным не может, то и тогда мог бы совершиться переход, как это предписано, но только начало обхода непременно должно быть взято от одного из тех двух участков, к которым ведет нечетное число мостов. Если бы, наконец, было больше двух участков, к которым ведет нечетное число мостов, то тогда такое движение вообще невозможно… если можно было привести здесь другие, более серьезные задачи, этот метод мог бы принести еще большую пользу и им не следовало бы пренебрегать".
Основные определения и теоремы теории графов
Теория графов – дисциплина математическая, созданная усилиями математиков, поэтому ее изложение включает в себя и необходимые строгие определения. Итак, приступим к организованному введению основных понятий этой теории.
Определение 1. Графомназывается совокупность конечного числа точек, называемых вершинами графа, и попарно соединяющих некоторые из этих вершин линий, называемых ребрамиили дугами графа.
Это определение можно сформулировать иначе: графомназывается непустое множество точек (вершин) и отрезков (ребер), оба конца которых принадлежат заданному множеству точек
В дальнейшем вершины графа мы будем обозначать латинскими буквами A , B , C , D . Иногда граф в целом будем обозначать одной заглавной буквой.
Определение 2. Вершины графа, которые не принадлежат ни одному ребру, называются изолированными.
Определение 3. Граф, состоящий только из изолированных вершин, называется нуль- графом.
Обозначение: O "– граф с вершинами, не имеющий ребер
Определение 4. Граф, в котором каждая пара вершин соединена ребром, называется полным.
Обозначение: U " – граф, состоящий из n вершин и ребер, соединяющих всевозможные пары этих вершин. Такой граф можно представить как n –угольник, в котором проведены все диагонали
Определение 5. Степеньювершиныназывается число ребер, которым принадлежит вершина.
Определение 6. Граф, степени всех k вершин которого одинаковы, называется однороднымграфомстепениk .
Определение 7. Дополнениемданногографаназывается граф, состоящий из всех ребер и их концов, которые необходимо добавить к исходному графу, чтобы получить полный граф.
Определение 8. Граф, который можно представить на плоскости в таком виде, когда его ребра пересекаются только в вершинах, называется плоским.
Определение 9. Многоугольник плоского графа, не содержащий внутри себя никаких вершин или ребер графа, называют его гранью.
Понятия плоского графа и грани графа применяется при решении задач на "правильное" раскрашивание различных карт.
Определение 10. Путемот A доX называется последовательность ребер, ведущая от A к X , такая, что каждые два соседних ребра имеют общую вершину, и никакое ребро не встречается более одного раза.
Определение 11. Цикломназывается путь, в котором совпадают начальная и конечная точка.
Определение 12. Простым цикломназывается цикл, не проходящий ни через одну из вершин графа более одного раза.
Определение 13. Длиной пути, проложенного на цикле, называется число ребер этого пути.
Определение 14. Две вершины A и B в графе называются связными(несвязными), если в нем существует (не существует) путь, ведущий из A в B .
Определение 15. Граф называется связным, если каждые две его вершины связны; если же в графе найдется хотя бы одна пара несвязных вершин, то граф называется несвязным.
Определение 16. Деревомназывается связный граф, не содержащий циклов.
Трехмерной моделью графа-дерева служит, например, настоящее дерево с его замысловато разветвленной кроной; река и ее притоки также образуют дерево, но уже плоское – на поверхности земли.
Определение 17. Несвязный граф, состоящий исключительно из деревьев, называется лесом.
Определение 18. Дерево, все n вершин которого имеют номера от 1 до n , называют деревом с перенумерованными вершинами.
Итак, мы рассмотрели основные определения теории графов, без которых было бы невозможно доказательство теорем, а, следовательно и решение задач.
Задачи решаемые при помощи графов
Знаменитые задачи
Задача коммивояжера
Задача коммивояжера является одной из знаменитых задач теории комбинаторики. Она была поставлена в 1934 году, и об неё обламывали зубы лучшие математики.
Постановка задачи следующая.
Коммивояжер (бродячий торговец) должен выйти из первого города, посетить по разу в неизвестном порядке города 2,1,3..n и вернуться в первый город. Расстояния между городами известны. В каком порядке следует обходить города, чтобы замкнутый путь (тур) коммивояжера был кратчайшим?
Метод решения задачи коммивояжера
Жадный алгоритм
“иди в ближайший (в который еще не входил) город”.
“Жадным” этот алгоритм назван потому, что на последних шагах приходится жестоко расплачиваться за жадность.
Рассмотрим для примера сеть на рисунке [приложение рис.3]
, представляющую узкий ромб. Пусть коммивояжер стартует из города 1. Алгоритм “иди в ближайший город” выведет его в город 2, затем 3, затем 4; на последнем шаге придется платить за жадность, возвращаясь по длинной диагонали ромба. В результате получится не кратчайший, а длиннейший тур.
Задача о Кенигсбергских мостах.
Задача формулируется следующим образом.
Город Кенигсберг расположен на берегах реки Прегель и двух островах. Различные части города были соединены семью мостами. По воскресеньям горожане совершали прогулки по городу. Вопрос: можно ли совершить прогулку таким образом, чтобы, выйдя из дома, вернуться обратно, пройдя в точности один раз по каждому мосту.
Мосты через реку Прегель расположены как на рисунке
[приложение Рис.1].
Рассмотрим граф, соответствующий схеме мостов [приложение рис.2].
Чтобы ответить на вопрос задачи, достаточно выяснить, является ли граф эйлеровым. (Хотя бы из одной вершины должно выходить четное число мостов). Нельзя, прогуливаясь по городу, пройти по одному разу все мосты и вернуться обратно.
Несколько интересных задач
1. "Маршруты".
Задача 1
Как вы помните, охотник за мертвыми душами Чичиков побывал у известных помещиков по одному разу у каждого. Он посещал их в следующем порядке: Манилова, Коробочку, Ноздрева, Собакевича, Плюшкина, Тентетникова, генерала Бетрищева, Петуха, Констанжолго, полковника Кошкарева. Найдена схема, на которой Чичиков набросал взаимное расположение имений и проселочных дорог, соединяющих их. Установите, какое имение кому принадлежит, если ни одной из дорог Чичиков не проезжал более одного раза [приложение рис.4].
Решение :
По схеме дорог видно, что путешествие Чичиков начал с имения Е, а окончил имением О. Замечаем, что в имения В и С ведут только две дороги, поэтому по этим дорогам Чичиков должен был проехать. Отметим их жирной линией. Определены участки маршрута, проходящие через А: АС и АВ. По дорогам АЕ, АК и АМ Чичиков не ездил. Перечеркнем их. Отметим жирной линией ЕD ; перечеркнем DK . Перечеркнем МО и МН; отметим жирной линией MF ; перечеркнем FO ; отметим жирной линией FH , НК и КО. Найдем единственно возможный при данном условии маршрут. И получаем: имение Е – принадлежит Манилову, D - Коробочке, С – Ноздреву, А – Собакевичу, В – Плюшкину, М – Тентетникову, F - Бетрищеву, Н – Петуху, К – Констанжолго, О – Кошкареву [приложение рис.5] .
Задача 2
На рисунке изображена схема местности [приложение рис.6].
Передвигаться можно только в направлении стрелок. В каждом пункте можно бывать не более одного раза. Сколькими способами можно попасть из пункта 1 в пункт 9? Какой маршрут самый короткий и какой - самый длинный.
Решение :
Последовательно "расслаиваем" схему в дерево, начиная с вершины 1[приложение рис.7] . Получим дерево. Число возможных способов попадания из 1 в 9 равно числу "висячих" вершин дерева (их 14). Очевидно, кратчайший путь-1-5-9; самый длинный - 1-2-3-6-5-7-8-9.
2 "Группы, знакомства"
Задача 1
Участники музыкального фестиваля, познакомившись, обменялись конвертами с адресами. Докажите, что:
а) всего было передано четное число конвертов;
б) число участников, обменявшихся конвертами нечетное число раз, четно.
Решение: Пусть участники фестиваля А 1 , А 2 , А 3 . . . , А n – вершины графа, а ребра соединяют пары вершин, изображающих ребят, обменявшихся конвертами [Приложение рис.8]
Решение:
а) степень каждой вершины А i показывает число конвертов, которое передал участник А i своим знакомым. Общее число переданных конвертов N равно сумме степеней всех вершин графа N = степ. А 1 + степ. А 2 + + . . . + степ. А n -1 + степ. А n , N =2p , где p – число ребер графа, т.е. N – четное. Следовательно, было передано четное число конвертов;
б) в равенстве N = степ. А 1 + степ. А 2 + + . . . + степ. А n -1 + степ. А n сумма нечетных слагаемых должна быть четной, а это может быть только в том случае, если число нечетных слагаемых четно. А это означает, что число участников, обменявшихся конвертами нечетное число раз, четное.
Задача 2
Однажды Андрей, Борис, Володя, Даша и Галя договорились вечером пойти в кино. Выбор кинотеатра и сеанса они решили согласовать по телефону. Было также решено, что если с кем-то созвониться не удастся, то поход в кино отменяется. Вечером у кинотеатра собрались не все, и поэтому посещение кино сорвалось. На следующий день стали выяснять, кто кому звонил. Оказалось, что Андрей звонил Борису и Володе, Володя звонил Борису и Даше, Борис звонил Андрею и Даше, Даша звонила Андрею и Володе, а Галя звонила Андрею, Володе и Борису. Кто не сумел созвониться и поэтому не пришёл на встречу?
Решение:
Нарисуем пять точек и обозначим их буквами А, Б, В, Г, Д. Это первые буквы имён. Соединим те точки, которые соответствуют именам созвонившихся ребят.
[ приложение рис.9]
Из рисунка видно, что каждый из ребят – Андрей, Борис и Володя - созвонились со всеми остальными. Поэтому эти ребята и пришли к кинотеатру. А Галя и Даша не сумели созвониться между собой (точки Г и Д не соединены отрезком) и поэтому в соответствии с договорённостью в кино не пришли.
Применение графов в различных областях жизни людей
Кроме приведенных примеров, графы широко используются в строительстве, электротехнике, менеджменте, логистике, географии, машиностроении, социологии, программировании, автоматизации технологических процессов и производств, психологии, рекламе. Итак, из всего вышесказанного неопровержимо следует практическая ценность теории графов, доказательство которой и являлось целью данного исследования.
В любой области науки и техники встречаешься с графами. Графы - это замечательные математические объекты, с помощью которых можно решать математические, экономические и логические задачи, различные головоломки и упрощать условия задач по физике, химии, электронике, автоматике. Многие математические факты удобно формулировать на языке графов. Теория графов является частью многих наук. Теория графов - одна из самых красивых и наглядных математических теорий. В последнее время теория графов находит всё больше применений и в прикладных вопросах. Возникла даже компьютерная химия - сравнительно молодая область химии, основанная на применении теории графов.
Молекулярные графы , применяемые в стереохимии и структурной топологии, химии кластеров, полимеров и др., представляют собой неориентированные графы, отображающие строение молекул [приложение рис.10] . Вершины и ребра этих графов отвечают соответственным атомам и химическим связям между ними.
Молекулярные графы и деревья: [приложение рис.10] а, б - мультиграфы соотв. этилена и формальдегида; в-мол. изомеров пентана (деревья 4, 5 изоморфны дереву 2).
В стереохимии организмов наиболее. часто используют молекулярные деревья -основные деревья молекулярных графов, которые содержат только все вершины, соответствующие атомам С. Составление наборов мол. деревьев и установление их изоморфизма позволяют определять мол. структуры и находить полное число изомеров алканов, алкенов и алкинов
Белковые сети
Белковые сети - группы физически взаимодействующих белков, которые функционируют в клетке совместно и скоординированно, контролируя взаимосвязанные процессы, происходящие в организме [приложение рис. 11].
Граф иерархической системы называется деревом. Отличительной особенностью дерева является то, что между любыми двумя его вершинами существует единственный путь. Дерево не содержит циклов и петель.
Обычно у дерева, представляющего иерархическую систему, выделяется одна главная вершина, которая называется корнем дерева. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет только одного предка – обозначенный ею объект входит в один класс верхнего уровня. Любая вершина дерева может порождать несколько потомков – вершин, соответствующих классам нижнего уровня.
Для каждой пары вершин дерева существует единственный путь, их соединяющий. Этим свойством пользуются при нахождении всех предков, например, по мужской линии, любого человека, чья родословная представлена в виде генеалогического дерева, которое является «деревом» и в смысле теории графов.
Пример генеалогического дерева моей семьи [приложение рис.12].
Еще один пример. На рисунке показано библейское генеалогическое дерево [приложение рис.13].
Решение задач
1.Транспортная задача . Пусть в городе Краснодаре находится база с сырьём, которое нужно развести по городам Крымск, Темрюк, Славянск-на-Кубани и Тимашевск одним заездом, затратив при этом как можно меньше времени и топлива и вернувшись обратно в Краснодар.
Решение:
Для начала составим граф всех возможных путей проезда [приложение рис.14] , учитывая реальные дороги между данными населенными пунктами и расстояние между ними. Для решения этой задачи нам потребуется составить еще один граф, древовидный [приложение рис.15] .
Для удобства решения обозначаем города цифрами: Краснодар – 1, Крымск – 2, Темрюк – 3, Славянск – 4, Тимашевск – 5.
В результате вышло 24 решения, но нам нужны только кратчайшие пути. Из всех решений удовлетворяют только два, это 350 км.
Подобно этому можно и, я думаю, нужно рассчитывать реальные перевозки из одного населенного пункта в другие.
Логическая задача на переливание. В ведре 8 л воды, и имеется две кастрюли емкостью 5 и 3 л. требуется отлить в пятилитровую кастрюлю 4 л воды и оставить в ведре 4 л, т. е. разлить воду поровну в ведро и большую кастрюлю.
Решение:
Ситуацию в каждый момент можно описать тремя числами [приложение рис.16].
В результате получаем два решения: одно в 7 ходов, другое в 8 ходов.
Заключение
Итак, для того чтобы научиться решать задачи, надо разобраться в том, что собой они представляют, как они устроены, из каких составных частей они состоят, каковы инструменты, с помощью которых производится решение задач.
Решая практические задачи с помощью теории графов стало ясно видно, что в каждом шаге, в каждом этапе их решения необходимо применить творчество.
С самого начала, на первом этапе, оно заключается в том, что нужно суметь проанализировать и закодировать условие задачи. Второй этап – схематическая запись, которая состоит в геометрическом представлении графов, и на этом этапе элемент творчества очень важен потому, что далеко не просто найти соответствия между элементами условия и соответствующими элементами графа.
Решая транспортную задачу или задачу на составление генеалогического дерева я сделал вывод, что безусловно метод графов интересен, красив и нагляден.
Я убедился, что графы достаточно широко применяются в экономике, управлении, технике. Также теория графов применяется в программировании.Об этом в данной работе не шла речь, но думаю, что это только вопрос времени.
В настоящей научной работе рассмотрены математические графы, области их применения, решено несколько задач с помощью графов. Знание основ теории графов необходимо в различных областях, связанных с управлением производством, бизнесом (например, сетевой график строительства, графики доставки почты). Кроме того, работая над научной работой, я освоил работу на компьютере в текстовом редакторе WORD . Таким образом, задачи научной работы выполнены.
Итак, из всего вышесказанного неопровержимо следует практическая ценность теории графов, доказательство которой и являлось целью данной работы.
Литература
Берж К. Теория графов и ее применения. -M.: ИИЛ, 1962.
Кемени Дж., Снелл Дж., Томпсон Дж. Введение в конечную математику. -M.: ИИЛ, 1963.
Оре О. Графы и их применение. -M.: Мир, 1965.
Харари Ф. Теория графов. -M.: Мир, 1973.
Зыков А.А. Теория конечных графов. -Новосибирск: Наука, 1969.
Березина Л.Ю. Графы и их применение. -M.: Просвещение, 1979. -144 c.
"Соросовский образовательный журнал" №11 1996 (ст. "Плоские графы");
Гарднер М. "Математические досуги", М. "Мир", 1972(глава 35);
Олехник С. Н., Нестеренко Ю. В., Потапов М. К. "Старинные занимательные задачи", М. "Наука", 1988(часть 2, раздел 8; приложение 4);
Приложение
Приложение
П
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
риложениеПриложение
Приложение
Приложение
П
Рис. 14
риложениеПриложение
Между элементами множества вершин и множества ребер определено отношение инцидентности. Говорят, что ребро е инцидентно вершинам v1, v2, если оно соединяет эти вершины и наоборот, каждая из вершин v1, v2 инцидентна ребру е.
Рассмотрим графическое представление графов таблица 1.
Таблица 1. Графическое представление графов
Многие результаты, полученные для простых графов, без труда модно перенести на более общие объекты, в которых две вершины могут быть соединены более чем одним ребром. Кроме того, часто бывает удобно снять ограничение, состоящее в том, что ребро должно соединять две различные вершины, и допустить существование петель. Получающийся при этом объект, в котором могут быть и кратные ребра и петли называется графом (псевдографом). Псевдограф без петель называется мультиграфом
Рассмотрим некоторые важные типы графов.
Определение. Граф, у которого множество ребер пусто, называется вполне несвязным (или пустым) графом. Вполне несвязный граф обозначают N
Заметим, что у вполне несвязного графа все вершины изолированы
Определение. Простой граф, в котором любые две вершины смежны, называется полным. Полный граф обозначают K
Заметим, что для полного графа выполняется равенство
где m - число ребер, n - число вершин графа.
Определение. Граф, у которого все вершины имеют одну и ту же локальную степень n, называется регулярным (или однородным) степени n.
Регулярные графы степени 3 называются кубическими (или трехвалентными).
Известным примером кубического графа является граф Петерсона
Среди регулярных графов особенно интересны так называемые платоновы графы - графы, образованные вершинами и ребрами пяти правильных многогранников - Платоновых тел: тетраэдра, куба, октаэдра, додекаэдра и икосаэдра.На рисунке 6 приведен граф, соответствующий кубу.
Определение. Допустим, что множество вершин графа G можно разбить на два непересекающихся подмножества V1 и V2 так, что каждое ребро в G соединяет какую-нибудь вершину из V1 с какой-нибудь вершиной из V2, тогда данный граф называется двудольным.
Двудольный граф можно определить и по-другому - в терминах раскраски его вершин двумя цветами, скажем красным и синим. При этом граф называется двудольным, если каждую его вершину можно окрасить красным или синим цветом так, чтобы каждое ребро имело один конец красный, а другой - синий.
Определение. Если в двудольном графе каждая вершина из V1 соединена с каждой вершиной из V2, то граф называется полным двудольным.
Заметим, что граф Кm. n имеет ровно m + n вершин и mn ребер.
Определение. Объединением графов
называется граф
Определение. Пересечением графов
называется граф
Определение. Соединением графов G1 и G2 является новый граф, у которого
а множеством ребер являются все ребра первого и второго графа и ребра, соединяющие между собой каждую вершину первого графа с первой вершиной второго графа.
Определение. Граф называется связным, если его нельзя представить в виде объединения двух графов, и несвязным в противном случае.
Очевидно, что всякий несвязный граф можно представить в виде объединения конечного числа связных графов - каждый из таких связных графов называется компонентой связности графа.
Определение. Связный регулярный граф степени 2 называется циклическим графом. Обозначается Сn .
Определение. Соединение графов N1 и Cn-1 (n3) называется колесом с n вершинами. Обозначается Wn (рисунок 10)
Определение. Дополнением простого графа G называется простой граф с множеством вершин V(G), в котором две вершины смежны тогда и только тогда, когда они не смежны в исходном графе.
Обозначение. Другими словами, дополнением графа является граф, содержащий все вершины исходного графа и только те ребра, которых не хватает исходному графу для того, чтобы он стал полным.
Определение. Подграфом графа G называется граф, все вершины и ребра которого содержатся среди вершин и ребер графа G. Подграф называется собственным, если он отличен от самого графа.
Виды графов могут определяться общими принципами их построения (таковы, например, двудольный граф и эйлеров граф), а могут зависеть от тех или иных свойств вершин или рёбер (например, ориентированный и неориентированный граф, обыкновенный граф).
Ориентированные и неориентированные графы
звеньями (порядок двух концов ребра графа не существенен), называются неориентированными .
Графы, в которых все рёбра являются дугами (порядок двух концов ребра графа существенен), называются ориентированными графами или орграфами .
Неориентированный граф может быть представлен в виде ориентированного графа , если каждое его звено заменить на две дуги, имеющие противоположные направления.
Графы с петлями, смешанные графы, пустые графы, мультиграфы, обыкновенные графы, полные графы
Если граф содержит петли , то это обстоятельство специально оговаривают, добавляя к основной харатеристике графа слова "с петлями", например, "орграф с петлями". Если граф не содержит петель, то добавляют слова "без петель".
Смешанным называют граф, в котором имеются рёбра хотя бы двух из упомянутых трёх разновидностей (звенья, дуги, петли).
Граф, состоящий только из голых вершин , называется пустым .
Мультиграфом называется граф, в котором пары вершин могут быть соединены более чем одним ребром, то есть содершащий кратные рёбра , но не содержащий петель.
Граф без дуг (то есть неориентированный), без петель и кратных рёбер называется обыкновенным . Обыкновенный граф изображён на рисунке ниже.
Граф заданного типа называют полным , если он содержит все возможные для этого типа рёбра (при неизменном множестве вершин). Так, в полном обыкновенном графе каждая пара различных вершин соединена ровно одним звеном (рисунок ниже).
Двудольный граф
Граф называется двудольным , если множество его вершин можно разбить на два подмножества так, чтобы никакое ребро не соединяло вершины одного и того же подмножества.
Пример 1. Построить полный двудольный граф.
Полный двудольный граф состоит из двух множеств вершин и из всевозможных звеньев, соединяющих вершины одного множества с вершинами другого множества (рисунок ниже).
Эйлеров граф
Мы уже касались задачи о кёнигсбергских мостах . Отрицательное решение Эйлером этой задачи привело к первой опубликованной работе по теории графов. Задачу об обходе мостов можно обобщить и получить следующую задачу теории графов: можно ли найти в данной графе цикл, содержащий все вершины и все рёбра? Граф, в котором это возможно, называется эйлеровым графом.
Итак, эйлеровым графом называется граф, в котором можно обойти все вершины и при этом пройти одно ребро только один раз. В нём каждая вершина должна иметь только чётное число рёбер.
Пример 2. Является ли полный граф с одинаковым числом n рёбер, которым инцидентна каждая вершина, эйлеровым графом? Объяснить ответ. Привести примеры.
Ответ. Если n - нечётное число, то каждая вершина инцидентна n -1 рёбрам. В таком случае данный граф является эйлеровым графом. Примеры таких графов на рисунке ниже.
Регулярный граф
Регулярным графом называется связный граф, все вершины которого имеют одинаковую степень k . Таким образом, на рисунке к примеру 2 изображены примеры регулярных графов, называемых по степени его вершин 4-регулярными и 2-регулярными графами или регулярными графами 4-й степени и 2-й степени.
Число вершин регулярного графа k -й степени не может быть меньше k +1. У регулярного графа нечётной степени может быть лишь чётное число вершин.
Пример 3. Построить регулярный граф, в котором самый короткий цикл имеет длину 4.
Решение. Рассуждаем так: для того, чтобы длина цикла удовлетворяла заданному условию, требуется, чтобы число вершин графа было кратно четырём. Если число вершин равно четырём, то получится граф, изображённый на рисунке ниже. Он является регулярным, но в нём самый короткий цикл имеет длину 3.
Увеличиваем число вершин до восьми (следующее число, кратное четырём). Соединяем вершины рёбрами так, чтобы степени вершин были равны трём. Получаем следующий граф, удовлетворяющий условиям задачи.
Гамильтонов граф
Гамильтоновым графом называется граф, содержащий гамильтонов цикл. Гамильтоновым циклом называется простой цикл, проходящий через все вершины рассматриваемого графа. Таким образом, говоря проще, гамильтонов граф - это такой граф, в котором можно обойти все вершины и каждая вершина при обходе повторяется лишь один раз. Пример гамильтонова графа - на рисунке ниже.
Пример 4. Задан двудольный граф, в котором n - число вершин из множества A , а m - число вершин из множества B . В каком случае граф будет эйлеровым графом, а в каком случае - гамильтоновым графом?
Как оказалось тема алгоритмов интересна Хабра-сообществу. Поэтому я как и обещал, начну серию обзоров «классических» алгоритмов на графах.Так как публика на Хабре разная, а тема интересна многим, я должен начать с нулевой части. В этой части я расскажу что такое граф, как он представлен в компьютере и зачем он используется. Заранее прошу прощения у тех кто это все уже прекрасно знает, но для того чтобы объяснять алгоритмы на графах, нужно сначала объяснить что такое граф. Без этого никак.
Основы
В математике, Граф - это абстрактное представление множества объектов и связей между ними. Графом называют пару (V, E) где V это множество вершин , а E множество пар, каждая из которых представляет собой связь (эти пары называют рёбрами ).Граф может быть ориентированным или неориентированным . В ориентированном графе, связи являются направленными (то есть пары в E являются упорядоченными, например пары (a, b) и (b, a) это две разные связи). В свою очередь в неориентированном графе, связи ненаправленные, и поэтому если существует связь (a, b) то значит что существует связь (b, a).
Пример:
Неориентированный граф: Соседство (в жизни). Если (1) сосед (3), то (3) сосед (1). См рис. 1.а
Степень
вершины может быть входящая и исходящая (для неориентированных графов входящая степень равна исходящей).
Входящая степень вершины v это количество ребер вида (i, v
), то есть количество ребер которые «входят» в v.
Исходящая степень вершины v это количество ребер вида (v
, i), то есть количество ребер которые «выходят» из v.
Это не совсем формальное определение (более формально определение через инцидентность), но оно вполне отражает суть
Путь в графе это конечная последовательность вершин, в которой каждые две вершины идущие подряд соединены ребром. Путь может быть ориентированным или неориентированным в зависимости от графа. На рис 1.а, путем является например последовательность [(1), (4), (5)] на рис 1.б, [(1), (3), (4), (5)].
У графов есть ещё много разных свойств (например они могут быть связными, двудольными, полными), но я не буду описывать все эти свойства сейчас, а в следующих частях когда эти понятия понадобятся нам.
Представление графов
Существует два способа представления графа, в виде списков смежности и в виде матрицы смежности. Оба способа подходят для представления ориентированных и неориентированных графов.Матрица смежности
Этот способ является удобным для представления плотных
графов, в которых количество рёбер (|E|) примерно равно количеству вершин в квадрате (|V| 2).
В данном представлении мы заполняем матрицу размером |V| x |V| следущим образом:
A[i][j] = 1 (Если существует ребро из i в j)
A[i][j] = 0 (Иначе)
Данный способ подходит для ориентированных и неориентированных графов. Для неориентированных графов матрица A является симметричной (то есть A[i][j] == A[j][i], т.к. если существует ребро между i и j, то оно является и ребром из i в j, и ребром из j в i). Благодаря этому свойству можно сократить почти в два раза использование памяти, храня элементы только в верхней части матрицы, над главной диагональю)
Понятно что с помощью данного способа представления, можно быстро проверить есть ли ребро между вершинами v и u, просто посмотрев в ячейку A[v][u].
С другой стороны этот способ очень громоздкий, так как требует O (|V| 2) памяти для хранения матрицы.
На рис. 2 приведены представления графов из рис. 1 с помощью матриц смежности.
Списки смежности
Данный способ представления больше подходит для разреженных графов, то есть графов у которых количество рёбер гораздо меньше чем количество вершин в квадрате (|E| << |V| 2).
В данном представлении используется массив Adj содержащий |V| списков. В каждом списке Adj[v] содержатся все вершины u, так что между v и u есть ребро. Память требуемая для представления равна O (|E| + |V|) что является лучшим показателем чем матрица смежности для разреженных графов.
Главный недостаток этого способа представления в том, что нет быстрого способа проверить существует ли ребро (u, v).
На рис. 3 приведены представления графов из рис. 1 с помощью списков смежности.
Применение
Те кто дочитал до этого места, наверное задали себе вопрос, а где же собственно я смогу применить графы. Как я и обещал я буду стараться приводить примеры. Самый первый пример который приходит в голову это социальная сеть. Вершинами графа являются люди, а ребрами отношения (дружба). Граф может быть неориентированным, то есть я могу дружить только с теми кто дружит со мной. Либо ориентированным (как например в ЖЖ), где можно добавить человека в друзья, без того чтобы он добавлял вас. Если же он да добавит вас вы будете «взаимными друзьями». То есть будет существовать два ребра: (Он, Вы) и (Вы, Он)Ещё одно из применений графа, которое я уже упоминал это ссылки с сайта на сайт. Представим Вы хотите сделать поисковую систему и хотите учесть на какие сайты есть больше ссылок (например сайт A), при этом учитывать сколько сайтов ссылается на сайт B, который ссылается на сайт A. У вас будет матрица смежности этих ссылок. Вы захотите ввести какую то систему подсчёта рейтинга, которая делает какие то подсчёты на этой матрице, ну, а дальше… это Google (точнее PageRank) =)