🗊Презентация Теорія графів

Розділ 5. Теорія графів

5.1. Історія розвитку теорії графів Ейлер 1736 p. Головоломка про кенігсберські мости, у якій знайдено умову існування у зв'язному графі циклу, що містить всі ребра графа без повторень. Кірхгоф 1847 р. Вивчення електричних ланцюгів, абстрагуючись від фізичної природи пристроїв, алгоритм знаходження максимального підграфу без циклів. Келі 1857 р. Задача в органічної хімії про перелічення всіх дерев зі степенями вершин 1 і 4, що пов'язана з описом ізомерів насичених вуглеводнів СnН2n+2 з даним числом (n) атомів вуглецю.

Гамільтон 1859 р. Задача комівояжера, який виходить і повертається до вихідного міста так, щоб відвідати решту пунктів і тільки один раз. Гамільтон 1859 р. Задача комівояжера, який виходить і повертається до вихідного міста так, щоб відвідати решту пунктів і тільки один раз. Проблема чотирьох фарб — кожну конкретну геоґрафічну карту можна розфарбувати чотирма фарбами так, щоб будь-які дві сусідні (що мають загальну лінійну (а не точкову) ділянку границі) країни були пофарбовані у різні кольори. з 30-х років XIX століття, популярність графів і кількість праць з чистої теорії графів та її застосувань неухильно зростає. За допомогою графа моделюються будь-які схеми, в яких виділяються більш прості частини (вершини) і зв'язки між ними (ребра).

5.2. Основні терміни

Нехай X - довільна множина точок, Y - сукупність ліній, з'єднуючих задані точки у трьохвимірному просторі Нехай X - довільна множина точок, Y - сукупність ліній, з'єднуючих задані точки у трьохвимірному просторі (визначення геометричного графа G = (X, Y)). Точки з X називаються вершинами, криві з Y — ребрами графа. На малюнку зображено граф у просторі R2 (або, якщо бажано, — у R3), де X = {х1, х2, х3, x4, x5}; Y = {y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7} Позначення для графа: G = (X, Y), n = nG — число вершин (яку ще називають порядком графа), m = mG — число ребер графа.

Суміжні вершини (х2, х3) — це вершини, з'єднані ребром, суміжні ребра (у2, у3) — це ребра, що мають спільну вершину. Суміжні вершини (х2, х3) — це вершини, з'єднані ребром, суміжні ребра (у2, у3) — це ребра, що мають спільну вершину. Вершина х2 і ребро у3 інциденті одне одному, якщо точка х2 є кінець (або початок) кривої у3. Петля (у4) — замкнене ребро. Паралельні (кратні) ребра (у1, у2, у5) — це ребра, що інциденті одній парі вершин (х2, х1). Ізольована вершина (х4) неінцидентна жодному ребру. Степінь deg хi = (хi) вершини хi — число інцидентних їй ребер ((х1) = 4, (х5) = 1, (х4) = 0), причому петля враховується як два ребра ((х3)=5).

Граф G = (X, Y) називається: Граф G = (X, Y) називається: порожнім, якщо множина його ребер порожня; простим, якщо він не містить петель і паралельних ребер; повним G0, якщо він простий і кожна пара вершин суміжна; мультиграфом, якщо він містить паралельні ребра; псевдографом, якщо він містить петлі та кратні ребра; регулярним або однорідним (степені r), якщо степені всіх його вершин однакові (дорівнюють r = deg хi, хi  X).

В орграфі, крім степеня вершини (х), вводиться додатний степінь +(х) — число дуг, що починаються у вершині х, і від'ємний степінь -(х) — число дуг, що закінчуються у вершині х. В орграфі, крім степеня вершини (х), вводиться додатний степінь +(х) — число дуг, що починаються у вершині х, і від'ємний степінь -(х) — число дуг, що закінчуються у вершині х. Кожному неорієнтованому графу можна поставити у відповідність орієнтований граф з тією самою множиною вершин, в якій кожне ребро замінено двома дугами, що мають зворотні напрямки і інцидентні тим самим вершинам. Таку відповідність називають канонічною.

Визначення абстрактного графа Визначення абстрактного графа Графом G називається трійка G=(X,Y,f), де X, Y — довільні множини, f:YXX — відображення множини Y у декартовий добуток множини X на себе. Елементи множини X називаються вершинами, множини Y — дугами, відображення f — інцидентором. Часто графи позначаються у вигляді перших двох множин трійки: G=(X,Y), інцидентор f мається на увазі неявно.

5.3. Способи задання графа список ребер матриця інциденцій матриця суміжності список суміжності

Список ребер G=(X,Y), X = {х1, х2, х3, x4, x5}; Y = {y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7}. Інший варіант: X = {х1, х2, х3, x4, x5}; G= {(х1, х2),(х1, х2),(х2, х3), (х3, х3),(х2, х1),(х3, х1),(х3, х5)}

Матриця інциденцій Оскільки вершини і дуги орграфа G=(X,Y,f) без петель занумеровані: X={х1,...,хn}, Y={у1,...,уm}, дію інцидентора f можна охарактеризувати (nm) — матрицею інциденцій В={bij}, де за визначенням:

Матриця інциденцій, приклад

Матриця суміжності Квадратна матриця А розміру n = |Х|, елемент якої аі,j дорівнює числу дуг, що йдуть від вершини хі до вершини хj називається матрицею суміжності орграфа G=(X,Y). Для неорієнтованого графа елемент аі,j матриці суміжності А0 визначається як число ребер, з'єднуючих вершини хі і хj (очевидно, А0 завжди симетрична відносно головної діагоналі: А0 = А0Т). Ненульове значення елемента аі,j характеризує суміжність вершин хі і хj у графі, звідси і назва — матриця суміжності.

Матриця суміжності, приклад

Список суміжності Орієнтований граф G (без кратних дуг, але, можливо, з петлями) можна подати у вигляді багатозначного відображення множини X у X, яке зручно записувати у вигляді списку суміжності. Цей спосіб подання можна використовувати і для неорієнтованих простих графів, якщо кожне ребро умовно замінити двома протилежно спрямованими дугами.

Список суміжності, приклад

Список суміжності, приклад

5.4. Операції над графами

Два графа G і G' називаються ізоморфними (G ~ G'), якщо існують взаємно однозначні відображення вершин і ребер : XX', : YY' відповідно, що зберігають відношення інциденції: f' = ()f. Інакше кажучи, ребро (дуга) у інцидентне (заходить, виходить) вершині х графа G тоді і тільки тоді, коли в графі G' відповідне ребро (дуга) у' = (у) інцидентне (заходить, виходить) вершині х' = (х). Два графа G і G' називаються ізоморфними (G ~ G'), якщо існують взаємно однозначні відображення вершин і ребер : XX', : YY' відповідно, що зберігають відношення інциденції: f' = ()f. Інакше кажучи, ребро (дуга) у інцидентне (заходить, виходить) вершині х графа G тоді і тільки тоді, коли в графі G' відповідне ребро (дуга) у' = (у) інцидентне (заходить, виходить) вершині х' = (х).

Матриці суміжності дозволяють сформулювати простий алгебраїчний критерій ізоморфізму, який спирається на те, що вигляд матриць та списку ребер залежить від нумерації вершин і ребер графа. Матриці суміжності дозволяють сформулювати простий алгебраїчний критерій ізоморфізму, який спирається на те, що вигляд матриць та списку ребер залежить від нумерації вершин і ребер графа. Теорема Графи G = (X, Y), G' = (X', Y) ізоморфні тоді і тільки тоді, коли вони мають однакове число вершин, і матриця суміжності A(G') одержується з матриці A(G) послідовними переставленнями рядків з одночасним переставлянням однойменних стовпців.

Підграф — будь-яка частина графа, що сама є графом. Підграф — будь-яка частина графа, що сама є графом.

Додатковим (доповненням) до графа G=(X,Y) називається граф G̃=(X,Ỹ) з тією ж множиною вершин, що доповнює G до повного графа і YỸ=: G0=G+G̃=(X,YỸ). Інакше кажучи, у доповнювальному графі G̃ вершини (хi,хj) суміжні (з'єднані ребром у̃kỸ), якщо вони несуміжні у вихідному графі G. Додатковим (доповненням) до графа G=(X,Y) називається граф G̃=(X,Ỹ) з тією ж множиною вершин, що доповнює G до повного графа і YỸ=: G0=G+G̃=(X,YỸ). Інакше кажучи, у доповнювальному графі G̃ вершини (хi,хj) суміжні (з'єднані ребром у̃kỸ), якщо вони несуміжні у вихідному графі G.

Операції з двома графами Операції з двома графами Сума G+G1=(X;YY1)

При множенні GG1=(X;Y0) з вершини xi до вершини xj йде стільки дуг, скільки існує шляхів довжини 2 у графі G + G1 з вершини xi до вершини xj таких, що перша дуга належить Y, друга — Y1. При множенні GG1=(X;Y0) з вершини xi до вершини xj йде стільки дуг, скільки існує шляхів довжини 2 у графі G + G1 з вершини xi до вершини xj таких, що перша дуга належить Y, друга — Y1. Теорема. Для суми та добутку орграфів (з однаковими множинами вершин) матриці суміжності відповідно додаються і перемножуються, та навпаки: A(G + G1) = A(G) + A(G1); A(GG1) = A(G)A(G1). Наслідок. Якщо А — матриця суміжності орграфа G, то елемент матриці Аn (натурального степеня n) дорівнює числу різних орієнтованих маршрутів довжини n, що йдуть з вершини xi до xj у графі G.

5.5. Маршрути та зв'язність Маршрут (з'єднуючий вершини хa, хb) — скінченна послідовність ребер та інцидентних їм вершин, що складають неперервну криву з кінцями хa, хb. Число ребер у маршруті називається його довжиною (включаючи внесок повторюваних ребер). Вершини, інцидентні ребрам маршруту, крім початкової та кінцевої, називаються внутрішніми або проміжними. Маршрут замкнений, якщо кінці його співпадають (хa=хb).

Маршрут називається ланцюгом (шляхом – в орграфі), якщо всі його ребра (дуги) різні, і простим ланцюгом (простим шляхом), якщо всі його вершини (крім кінців) різні. Маршрут називається ланцюгом (шляхом – в орграфі), якщо всі його ребра (дуги) різні, і простим ланцюгом (простим шляхом), якщо всі його вершини (крім кінців) різні. Цикл (контур – в орграфі) — це замкнений ланцюг (шлях). Простий цикл (простий контур), якщо ланцюг (шлях) простий. Будь-який орієнтований маршрут є маршрутом (неорієнтованим), шлях є ланцюгом, контур — циклом, зворотне може не виконуватися.

Граф називається зв'язним, якщо будь-яка пара його вершин з'єднується ланцюгом. Граф називається зв'язним, якщо будь-яка пара його вершин з'єднується ланцюгом. Орграф називається сильно зв'язним, якщо для будь-якої пари різних вершин v, w існує шлях з v до w і шлях із w до v. Компонента (зв'язності) — максимальний зв'язний підграф у графі. Граф називається n-зв'язним, якщо між будь-якими його двома вершинами знайдеться n ланцюгів, що попарно не мають спільних некінцевих вершин.

Точка зчленування графа — вершина, видалення якої разом з інцидентними їй ребрами призводить до збільшення числа компонент графа. Точка зчленування графа — вершина, видалення якої разом з інцидентними їй ребрами призводить до збільшення числа компонент графа. Мостом називають ребро (дугу) графа, видалення якого призводить до збільшення числа компонент графа. Відстань d(хa, хb) між вершинами хa, хb графа G— довжина найкоротшого ланцюга між хa, хb. Якщо від вершини хa до вершини хb не веде жодний ланцюг, то d(хa, хb) = . Діаметром d(G) графа G називається максимальна відстань d(хa, хb)   у графі G.

Ексцентриситет е(х) вершини x  X у зв'язному графі G є відстань від x до найбільш віддаленої від неї вершини, а радіус r(G) графа G — найменший з ексцентриситетів вершин: Ексцентриситет е(х) вершини x  X у зв'язному графі G є відстань від x до найбільш віддаленої від неї вершини, а радіус r(G) графа G — найменший з ексцентриситетів вершин:

Центром графа G називається множина всіх його центральних вершин; центр може складатися з єдиної вершини, а може — з двох і більше вершин. Центром графа G називається множина всіх його центральних вершин; центр може складатися з єдиної вершини, а може — з двох і більше вершин. Дводольний граф – це граф, множину вершин якого можна розбити на дві підмножини таким чином, що кожне ребро графа з'єднує вершини з різних підмножин (позначають такі графи К3,3). Теорема Кеніга: граф є дводольним тоді і тільки тоді, коли всі його цикли мають парну довжину.

5.6. Ейлерові графи Головоломка про кенігсберські мости. Чи можна здійснити прогулянку по місту, пройшовши по кожному мосту точно один раз, і повернутися до вихідної точки?

Ейлеровим шляхом у графі називають шлях, який містить кожне ребро графу рівно один раз. Ейлеровим шляхом у графі називають шлях, який містить кожне ребро графу рівно один раз. Замкнений ейлерів шлях називають ейлеровим циклом. Зв'язний граф, що допускає побудову ейлерового циклу (шляху), називають ейлеровим (напівейлеровим) графом. Теорема Ейлера (1736 р.) Граф є ейлеровим тоді і тільки тоді, коли він зв'язний і степені всіх його вершин — парні. Граф є напівейлеровим тоді і тільки тоді, коли він зв'язний і степені всіх його вершин, крім початку і кінця шляху, — парні.

Побудова ейлерового циклу (шляху). Побудова ейлерового циклу (шляху). Алгоритм Флері 1. Ейлерів цикл можна починати з будь-якої вершини (ейлерів шлях треба починати з однієї з непарних вершин). 2.  Під час побудови ейлерового циклу (шляху) з графу видаляють (або мітять) ребра, що входять до циклу. 3.  На кожному кроці можна вибирати довільне ребро, яке за можливості не є мостом (з урахуванням видалених ребер на попередніх кроках); міст можна обирати лише тоді, коли всі ребра, інцидентні даній вершині, є мостами.

Приклад. Приклад.

5.7. Гамільтонові графи Головоломка “кругосвітня подорож”, запропонована у 1859р. ірландським математиком Уільямом Гамільтоном. Чи можна обїхати найцікавіші міста, побувавши у кожному тільки один раз?

Гамільтоновим шляхом у графі називають шлях, який містить кожну вершину графу рівно один раз. Гамільтоновим шляхом у графі називають шлях, який містить кожну вершину графу рівно один раз. Замкнений гамільтонів шлях називають гамільтоновим циклом. Зв'язний граф, що допускає побудову гамільтонового циклу (шляху), називають гамільтоновим (напівгамільтоновим) графом. До розпізнавання гамільтоновості графів зводиться також задача комівояжера: використовуючи задану систему транспортних сполучень (доріг і т.п.) між пунктами (містами, фірмами і т.п.) у конкретній зоні обслуговування, відвідати всі пункти у такій послідовності, щоб пройдений маршрут був найкоротшим із всіх можливих.

Задача про гамільтонів цикл не має на сьогодні ані повного теоретичного розв'язку, ані задовільного алгоритму відшукання циклу для n3. Задача про гамільтонів цикл не має на сьогодні ані повного теоретичного розв'язку, ані задовільного алгоритму відшукання циклу для n3. Граф не є гамільтоновим, якщо:   містить точку зчленування або міст;   містить дві вершини третього степеня, які сполучені троьма шляхами довжиною не менше 2, що не мають спільних вершин окрім початку і кінця. Граф є гамільтоновим, якщо:   степінь будь-якої вершини deg v  n/2 (Дірак)   для будь-якої пари несуміжних вершин v,uX виконується deg v+deg u  n (Оре)

5.8. Планарність графів Граф, що має плоску реалізацію, називається планарним.

Два графи називаються гомеоморфними, якщо після вилучення з них вершин другого степеня з подальшим об’єднанням інцидентних цим вершинам ребер вони стають ізоморфними. Два графи називаються гомеоморфними, якщо після вилучення з них вершин другого степеня з подальшим об’єднанням інцидентних цим вершинам ребер вони стають ізоморфними.

5.9. Розфарбування графів Під час розв’язання багатьох проблем доцільно розглядати графи з фарбованими вершинами – мічені графи, для яких кожній вершині v зіставляється деякий колір cv, причому суміжні вершини фарбуються у різні кольори. Мінімальна кількість кольорів, достатня для фарбування вершин графу, називається хроматичним числом (G). Граф з хроматичним числом називають k–колірним. Повний граф з n вершинами є n-колірним. Порожній граф, незалежно від кількості вершин, – одноколірним.

Приклад. Оцінити хроматичне число графа. Приклад. Оцінити хроматичне число графа.

Приклад. Оцінити хроматичне число графа. Приклад. Оцінити хроматичне число графа.

Фарбування вершин графа Фарбування вершин графа Алгоритм Уелша-Пауелла Вершини графу впорядковуються за спаданням степенів. i=1. Вершина, що перша у списку, фарбується у колір ci. У той же колір ci фарбуються в порядку за списком усі вершини, несуміжні з вершинами, вже пофарбованими на цьому кроці. Пофарбовані вершини викреслюють із списку. i=i+1. Повторюємо пункти 2-4, поки у списку є непофарбовані вершини.

Приклад. Розфарбувати вершини графа. Приклад. Розфарбувати вершини графа.

Однією з перших задач, пов’язаних із фарбуванням графів, є фарбування географічної карти так, щоб сусідні країни були пофарбовані різними кольорами. Однією з перших задач, пов’язаних із фарбуванням графів, є фарбування географічної карти так, щоб сусідні країни були пофарбовані різними кольорами. У зв’язку з пошуком мінімальної кількості кольорів, потрібних для фарбування карти, в середині ХІХ століття була сформульована так звана “проблема чотирьох кольорів”, доведена 1976р. К.Аппелем і В.Хейкенем за допомогою комп’ютера. Теорема чотирьох фарб Для фарбування вершин (граней) планарного графу достатньо чотирьох кольорів.

Гранню (коміркою) плоского графа називається така непорожня замкнена підобласть площини, що будь-які дві точки області можна з'єднати простою кривою, що лежить всередині області, не перетинаючись з ребрами графа. Гранню (коміркою) плоского графа називається така непорожня замкнена підобласть площини, що будь-які дві точки області можна з'єднати простою кривою, що лежить всередині області, не перетинаючись з ребрами графа. Границею грані вважається множина ребер і вершин графа, що належать грані. Будь-який скінченний плоский граф має в точності одну необмежену грань, яка називається зовнішньою гранню. Решта граней (обмежених) називаються внутрішніми. Цикломатичне число v=m-n+1 — число комірок зв'язного плоского графа (замість одиниці можна ставити кількість компонент зв'язності). У цих термінах задача фарбування географічної карти – це задача фарбування граней плоского графа.

Задачу фарбування граней графу можна звести до задачі фарбування вершин, якщо перейти від заданого графа до двоїстого йому. Задачу фарбування граней графу можна звести до задачі фарбування вершин, якщо перейти від заданого графа до двоїстого йому. Нехай G – плоский граф з кількістю вершин, ребер і граней nX, nY, nr відповідно. Плоский граф G* з кількістю вершин, ребер і граней n*X, n*Y, n*r відповідно називають двоїстим (дуальним) до графу G, якщо: 1. n*Y=nY, n*X=nr 2.  Кожна грань r графу G містить рівно одну вершину x* графу G* (вершина x* графу G* відповідає грані r графу G); 3.  Кожне ребро y графу G перетинається рівно з одним ребром y* графу G* (ребро y графу G відповідає ребру y* графу G*).

Приклад. Розфарбувати грані графа. Приклад. Розфарбувати грані графа.

Приклад. Побудувати двоїстий граф. Приклад. Побудувати двоїстий граф.

Прикладні задачі, що зв'язані з розфарбуваннями: Прикладні задачі, що зв'язані з розфарбуваннями: 1. Задача завантаження (розміщення) n продуктів (предметів) по ящикам (сховищам). Модельний граф G має n вершин, що відповідають продуктам, а наявність ребра (хi, хj) означає, що продукт хi несумісний з хj. Якщо місткості Qi ящиків великі (Qin), то задача розміщення у найменше число ящиків еквівалентна задачі оптимального розфарбування вершин графа G. При обмеженні місткості Qi до звичайних умов розфарбування додадуться обмеження на кількість вершин одного кольору.

2. В задачах теорії розкладів (інакше, календарного планування) операціям зіставляються часові інтервали. Віднесемо їм вершини хi модельного графа G, в якому є ребро (хi, хj) тоді і тільки тоді, коли операції хi, хj несумісні у часі. При однаковій довжині та довільній черговості операцій оптимальний розклад (сумарний час, що мінімізує виконання всіх робіт) еквівалентний оптимальному розфарбуванню модельного графа G. Хроматичне число дорівнює оптимальному часу виконання всіх робіт: (G) = Тmin. Крім того, різні кольори можуть відповідати, наприклад, різним ділянкам (приміщенням), і якщо на i-й ділянці не можна виконати більше Qi операцій одночасно, то в модельному розфарбуванні з'являється додаткове обмеження на кількість вершин i-го кольору. 2. В задачах теорії розкладів (інакше, календарного планування) операціям зіставляються часові інтервали. Віднесемо їм вершини хi модельного графа G, в якому є ребро (хi, хj) тоді і тільки тоді, коли операції хi, хj несумісні у часі. При однаковій довжині та довільній черговості операцій оптимальний розклад (сумарний час, що мінімізує виконання всіх робіт) еквівалентний оптимальному розфарбуванню модельного графа G. Хроматичне число дорівнює оптимальному часу виконання всіх робіт: (G) = Тmin. Крім того, різні кольори можуть відповідати, наприклад, різним ділянкам (приміщенням), і якщо на i-й ділянці не можна виконати більше Qi операцій одночасно, то в модельному розфарбуванні з'являється додаткове обмеження на кількість вершин i-го кольору.