Определения теории графов. Теория графов

Теория графов - раздел математики, используемый в информатике и программировании, экономике, логистике, химии.

Что такое граф

Часто для описания строения систем используют графические схемы. Элементы в них изображают кружками, точками, квадратами и т. п., а связи между элементами - линиями или стрелками. При этом ни то, как изображаются элементы, ни длина или форма линий не важны - имеет значение только, какие элементы соединены. Итак, граф - это пара вида (A, M), где A - конечное множество вершин, а M - множество ребер - линий, связывающих некоторые вершины.

Основные понятия теории графов

У ориентированного графа или орграфа (см. рисунок ниже) ребра ориентированы, называются дугами и изображаются стрелками. Дуга может быть обозначена упорядоченной парой вершин, которые она связывает, - начальной и конечной.

У неориентированного графа (см. рисунок ниже) ребра изображаются линиями без ориентации. Соответственно, пара вершин, которую связывает ребро, является неупорядоченной. Обе эти вершины есть концы ребра.

Если вершины a и b - концы ребра (или начало и конец дуги) графа, то говорят, что вершины a и b инцидентны этому ребру (дуге), также ребро (дуга) инцидентно вершинам a и b. Если вершины a и b - концы ребра, то они (a и b) называются смежными.

Чаще всего рассматривают графы, ребра которых имеют один тип - являются ориентированными или нет.

Если ребра имеет одинаковые начало и конец, то их называют кратными ребрами, а граф, в котором они присутствуют, называется мультиграфом.

Теория графов также использует понятие «петля» - ребро, выходящее и заходящее в одну и ту же вершину. Граф, в котором есть петли, называется псевдографом.

Чаще всего встречаются неориентированные графы, у которых нет кратных ребер и нет петель. Такие графы называются обыкновенными. Они не имеют кратных ребер, поэтому можно отождествить ребро и соответствующую пару вершин.

Каждая вершина орграфа характеризуется:

Полустепенью исхода. Это количество дуг, выходящих из нее.
Полустепенью захода. Это количество дуг, которые входят в данную вершину.

Сумма полустепеней захода орграфа, а также сумма полустепеней исхода равны общему количеству дуг графа.

У неориентированного графа каждая вершина характеризуется степенью вершины. Так называется количество ребер, которые инцидентны вершине. Общая сумма степеней вершин графа есть количество ребер, умноженное на два: каждое ребро будет давать вклад, который равен двум.

Вершина со степенью 0 называется изолированной.

Висячей вершиной является вершина со степенью 1.

Теория графов называет пустым графом такой, в котором нет ни одного ребра. Полный граф - это обыкновенный граф, в котором смежны любые 2 вершины.

Взвешенные графы - это графы, вершинам или ребрам (дугам) которых или и вершинам, и ребрам (дугам) сразу, приписываются некоторые числа. Они называются весами. На втором рисунке показан неориентированный граф, ребра которого взвешены.

Графы: изоморфизм

Понятие изоморфизма используется в математике. В частности, теория графов определяет его так: два графа U и V изоморфны, если в этих графах существует биекция между множествами их вершин: каждые 2 вершины в графе U соединены ребром в том и только том случае, если в графе V связаны ребром те же вершины (которые могут по-другому называться). На рисунке ниже показаны два изоморфных графа, в которых между вершинами, окрашенными в одинаковые цвета и в первом, и во втором графе, существует вышеописанная биекция.

Пути и циклы

Путем в неориентированном или ориентированном графе является последовательность ребер, где каждое следующее начинается в вершине, в которой заканчивается предыдущее. Простой путь - такой, в котором все вершины, исключая, может быть, начальную и конечную, и ребра различны. Циклом в орграфе называется путь, у которого совпадают начальная и конечная вершины и который включает не менее одного ребра. Циклом в неориентированном графе является путь, который содержит не менее трех различных ребер. На втором рисунке циклом является, например, путь (3, 1), (6, 3), (1, 6).

Теория графов в программировании используется для построения граф-схем алгоритмов.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

познакомить учащихся с понятием “Граф”, основными принципами его построения;

формировать умение выделять отношения, связывающие объекты;

развивать внимание, способность к логическому рассуждению;

воспитывать взаимопомощь, умение работать в коллективе

закрепление полученных знаний на практике

развитие памяти, внимания;

развитие самостоятельности;

воспитание познавательной активности.

Оборудование:

компьютерный класс, оснащенный современной техникой, видеопроектор, экран;
компьютеры с ОС Windows XP, программа Microsoft Office 2003 PowerPoint;
оборудование доски (тема урока, новые термины). Раздаточный материал.

План урока.

II. Изложение нового материала. (10 мин.)

III. Закрепление материала. Практическая работа. (15-20 мин.)

IV. Подведение итога урока.(2 мин)

V. Домашнее задание.

I. Организационный момент. Актуализация знаний.

Здравствуйте! Наш урок называется “Графы”. Мы познакомимся с понятие “Графы”, научимся их изображать и решать задачи по этой теме.

II Изложение нового материала.

Первая работа по теории графов принадлежит Леонарду Эйлеру (1736 г.), хотя термин “граф” впервые ввел в 1936 году венгерский математик Денеш Кениг. Графами были названы схемы, состоящие из точек и соединяющих эти точки отрезков прямых или кривых (примеры графов изображены на рисунке 1)

С помощью графов часто упрощалось решение задач, сформулированных в различных областях знаний: в автоматике, электронике, физике, химии и др. С помощью графов изображаются схемы дорог, газопроводов, тепло- и электросети. Помогают графы в решении математических и экономических задач.

Граф – (от греческого grapho – пишу) - это средство наглядного представления элементов объекта связей между ними. Это замечательные математические объекты, с их помощью можно решать очень много различных, внешне не похожих друг на друга задач.

Граф – это некоторая информационная модель

Граф состоит из вершин или узлов, связанных дугами или отрезками - рёбрами. Линия может быть направлена, т. е. иметь стрелку (дуга), если не направлена – ребро. Две вершины, соединённые дугой или ребром называются смежными.

Примеры графов (Слайд 4, 5, 6)

Задание 1 (Слайд 7):

Между девятью планетами солнечной системы установлено космическое сообщение. Рейсовые ракеты летают по следующим маршрутам:

Земля – Меркурий; Плутон – Венера; Земля – Плутон; Плутон – Меркурий; Меркурий – Венера; Уран – Нептун; Нептун – Сатурн; Сатурн – Юпитер; Юпитер – Марс; Марс – Уран.

Можно ли долететь на рейсовых ракетах с Земли до Марса?

Решение: Нарисуем схему условия: планеты изобразим точками, а маршруты ракет – линиями.

Теперь сразу видно, что долететь с Земли до Марса нельзя.

Две вершины, соединённые дугой или ребром называются смежными. Каждому ребру или дуге соотносится какое-нибудь число. Число может обозначать расстояние между населёнными пунктами, время перехода от одной вершины к другой и т. д.

Задание 2 (9 слайд) – решение у доски. Маша пришла в зоопарк и хочет увидеть как можно больше зверей. По какой тропинке ей надо идти? Желтая, красная, зеленая?

Задание 3 (11 слайд) – решение у доски. Пять футбольных команд А, Б, В, Г, Д должны сыграть в матчи друг с другом. Уже сыграли А с Б, В, Г; Б с А, В, Д. сколько матчей уже сыграно? Сколько осталось сыграть?

Представление графов (Слайд 12)

Граф может быть представлен в виде списка дуг (АВ; 7), графически или с помощью таблицы.

Списки дуг

Графическая форма

Табличная форма

(АВ; 7),

	А	В	С
А			3
В			4
С	3	4

III. Закрепление материалы: учащимся предлагается разделить на группы и выполнить задания. Работая в малой группе, ученики обсуждают модели, основываясь на теоретических знаниях, полученных в начале урока. Тем самым достигается повторение и закрепление материала.

Задание 2 (Слайд 13)

IV. Итог урока

Ребята, какие новые слова вы сегодня узнали? (Граф, вершина графа, ребра графа.)

Что могут обозначать вершины графа? (Города; объекты, которые; связаны.)

Что обозначают ребра графа (Пути, движения, направления)

Приведите пример, где в жизни мы можем с ними встретиться?

Как изображаются графы?

V. Домашнее задание. (Слайд 15)

Книга К.Бержа - первая по теории графов на русском языке. Между тем в последние годы интерес к теории резко усилился как со стороны математиков, так и представителей самых различных дисциплин. Это объясняется тем, что методы теории графов успешно решают многочисленные задачи теории электрических цепей, теории транспортных цепей, теории информации, кибернетики и др.
В книге Бержа теория графов излагается последовательно, начиная с самых основ. Предполагается, что читатель обладает весьма скромными математическими познаниями, хотя и имеет некоторую математическую культуру. В текст включены многочисленные, зачастую забавные, примеры. Книга может быть использована для первоначального изучения теории графов. Математики-профессионалы также найдут в ней много интересного.

Алгорифм для непосредственного выявления эйлерова цикла.
[Флёрн (Fleury)]. Рассмотрим связный мультиграф G, все вершины которого имеют четную степень, и постараемся нарисовать его одним росчерком, не прибегая в процессе построения к исправлениям уже начерченной части траектории. Достаточно придерживаться следующего правила:
1 Выходим из произвольной вершины а; каждое пройденное ребро зачеркиваем.
2 Никогда не идем по такому ребру и, которое в рассматриваемый момент является перешейком (т.е. при удалении которого граф, образованный незачеркнутыми ребрами, распадается на две компоненты связности, имеющие хотя бы по одному ребру),

Соблюдая это правило, мы всегда будем находиться в благоприятном положении, потому что когда мы находимся в х = а, граф (из незачеркнутых ребер) имеет две вершины нечетной степени: х и а; если отбросить изолированные вершины, то останется связный граф, который в силу теоремы 1 имеет эйлерову цепь, начинающуюся в х.

Содержание
Введение
Глава 1. Основные определения
Множества и многозначные отображения
Граф. Пути и контуры
Цепи и циклы
Глава 2. Предварительное изучение квазиупорядоченности
Квазипорядок, определяемый графом
Индуктивный граф и базы
Глава 3. Порядковая функция и функция
Гранди для бесконечного графа
Общие соображения относительно бесконечных графов
Порядковая функция
Функции Гранди
Операции над графами
Глава 4. Основные числа теории графов
Цикломатическое число
Хроматическое число
Число внутренней устойчивости
Число внешней устойчивости
Глава 5. Ядра графа
Теоремы существования и единственности
Приложение к функциям Гранди
Глава 6. Игры на графе
Игра Ним
Общее определение игры (с полной информацией)
Стратегии
Глава 7. Задача о кратчайшем пути
Процессы по этапам Некоторые обобщения
Глава 8. Транспортные сети
Задача о наибольшем потоке Задача о наименьшем потоке
Задача о потоке, совместимом с множеством значений
Бесконечные транспортные сети
Глава 9. Теорема о полустепенях
Полу степени исхода и захода
Глава 10. Паросочетание простого графа
Задача о наибольшем паросочетании
Дефицит простого графа
Венгерский алгорифм
Обобщение на бесконечный случай
Приложение к теории матриц
Глава 11. Факторы
Гамильтоновы пути и гамильтоновы контуры
Нахождение фактора
Нахождение частичного графа с заданными полустепенями
Глава 12. Центры графа
Центры
Радиус
Глава 13. Диаметр сильно связного графа
Общие свойства сильно связных графов без петель
Диаметр
Глава 14. Матрица смежности графа
Применение обычных матричных операций
Задачи на подсчет
Задача о лидере
Применение булевых операций
Глава 15. Матрицы инциденций
Вполне унимодулярные матрицы
Вполне унимодулярные системы
Цикломатические матрицы
Глава 16. Деревья и прадеревья
Деревья
Аналитическое исследование
Прадеревья
Глава 17. Задача Эйлера
Эйлеровы циклы Эйлеровы контуры
Глава 18. Паросочетание произвольного графа
Теория чередующихся цепей
Нахождение частичного графа с заданными степенями вершин
Совершенное паросочетание
Приложение к числу внутренней устойчивости
Глава 19. Фактороиды
Гамильтоновы циклы и фактороиды
Необходимое и достаточное условие существования фактороида
Глава 20. Связность графа
Точки сочленения
Графы без сочленений
h-связные графы
Глава 21. Плоские графы
Основные свойства
Обобщение
Добавления
I. Off общей теории, игр
II. О транспортных задачах
III. Об использовании, понятия потенциала в транспортных сетях
IV. Нерешенные задачи, и недоказанные предположения
V. О некоторых основных принципах подсчета (Ж. Риге)
VI. Дополнения к русскому переводу (А.А. Зыков и Г.И. Кожухин)
Литература
Теория графов и книга К. Бержа (послесловие к русскому переводу)
Указатель символов
Именной указатель
Предметный указатель.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Теория графов и её применение, Берж К. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Неформально граф можно рассматривать как множество точек и соединяющих эти точки линий со стрелками или без них.

Первой работой теории графов как математической дисциплины считают статью Эйлера (1736 г.), в которой рассматривалась задача о Кёнингсбергских мостах. Эйлер показал, что нельзя обойти семь городских мостов и вернуться в исходную точку, пройдя по каждому мосту ровно один раз. Следующий импульс теория графов получила спустя почти 100 лет с развитием исследований по электрическим сетям, кристаллографии, органической химии и другим наукам.

С графами, сами того не замечая, мы сталкиваемся постоянно. Например, графом является схема линий метрополитена. Точками на ней представлены станции, а линиями - пути движения поездов. Исследуя свою родословную и возводя ее к далекому предку, мы строим так называемое генеалогическое древо. И это древо - граф.

Графы служат удобным средством описания связей между объектами. Ранее мы уже использовали графы как способ наглядного представления конечных бинарных отношений.

Но граф используют отнюдь не только как иллюстрацию. Например, рассматривая граф, изображающий сеть дорог между населенными пунктами, можно определить маршрут проезда от пункта А до пункта Б. Если таких маршрутов окажется несколько, хотелось бы выбрать в определенном смысле оптимальный, например самый короткий или самый безопасный. Для решения задачи выбора требуется проводить определенные вычисления над графами. При решении подобных задач удобно использовать алгебраическую технику, да и само понятие графа необходимо формализовать.

Методы теории графов широко применяются в дискретной математике. Без них невозможно обойтись при анализе и синтезе различных дискретных преобразователей: функциональных блоков компьютеров, комплексов программ и т.д.

В настоящее время теория графов охватывает большой материал и активно развивается. При ее изложении ограничимся только частью результатов и основной акцент сделаем на описании и обосновании некоторых широко распространенных алгоритмов анализа графов, которые применяются в теории формальных языков.

Основные определения
Графы, как уже отмечалось в примерах, есть способ „визуализации" связей между определенными объектами. Связи эти могут быть „направленными", как, например, в генеалогическом древе, или "ненаправленными" (сеть дорог с двусторонним движением). В соответствии с этим в теории графов выделяют два основных типа графов: ориентированные (или направленные) и неориентированные.
Способы представления
До сих пор мы задавали ориентированные и неориентированные графы, изображая их с помощью рисунков. Можно задать граф как пару множеств, следуя определению, однако этот способ довольно громоздкий и представляет, скорее, теоретический интерес. Развитие алгоритмических подходов к анализу свойств графов требует иных способов описания графов, более пригодных для практических вычислений, в том числе с использованием ЭВМ. Рассмотрим три наиболее распространенных способа представления графов.
Деревья
Определение 5.5. Неориентированным деревом называют связный и ациклический неориентированный граф. Определение 5.6. Ориентированным деревом называют бесконтурный ориентированный граф, у которого полустепень захода любой вершины не больше 1 и существует ровно одна вершина, называемая корнем ориентированного дерева, полустепень захода которой равна 0.
Остовное дерево наименьшего веса
Следующая задача известна в теории графов под названием задачи Штейнера: на плоскости заданы п точек; нужно соединить их отрезками прямых таким образом, чтобы суммарная длина отрезков была наименьшей.
Методы систематического обхода вершин графа
Важными задачами теории графов являются задачи глобального анализа как неориентированных, так и ориентированных графов. К этим задачам относятся, например, задачи поиска циклов или контуров, вычисление длин путей между парами вершин, перечисление путей с теми или иными свойствами и т.п. Глобальный анализ графа следует отличать от локального, примером которого может служить задача определения множеств предшественников и преемников фиксированной вершины ориентированного графа.
Задача о путях во взвешенных ориентированных графах
Изоморфизм графов
Для ориентированного графа (V, Е) множество Е дуг можно рассматривать как график бинарного отношения непосредственной достижимости, заданного на множестве вершин. В неориентированном графе (V, Е) множество Е ребер является множеством неупорядоченных пар. Для каждой неупорядоченной пары {u, v} ∈ Е можно считать, что вершины u и v связаны симметричным бинарным отношением р, т.е. (u, v) ∈ р и (v, u) ∈ р.
Топологическая сортировка
Определение 5.17. Ориентированной сетью (или просто сетью) называют бесконтурный ориентированный граф*. Поскольку сеть является бесконтурным графом, можно показать, что существуют вершины (узлы) сети с нулевой полустепенью исхода, а также вершины (узлы) с нулевой полустепенью захода. Первые называют стоками или выходами сети, а вторые - источниками или входами сети.
Элементы цикломатики
При обсуждении алгоритма поиска в глубину в неориентированном графе рассматривался вопрос о поиске так называемых фундаментальных циклов графа. При этом под фундаментальным понимался цикл, содержащий в точности одно обратное ребро, и между фундаментальными циклами и обратными ребрами устанавливалось взаимно однозначное соответствие, фундаментальные циклы возникают всякий раз, как только фиксировано произвольное разбиение всех ребер неориентированного графа на древесные (формирующие некоторый максимальный оспьовный лес исходного графа) и обратные, причем в общем случае это разбиение может быть задано совершенно независимо от алгоритма поиска в глубину. Поиск в глубину есть лишь один из способов реализации такого разбиения.

Теория графов – это раздел дискретной математики, изучающий объекты, представимые в виде отдельных элементов (вершин) и связей между ними (дуг, рёбер).

Теория графов берет начало с решения задачи о кенигсбергских мостах в 1736 году знаменитым математиком Леонардом Эйлером (1707-1783: родился в Швейцарии, жил и работал в России).

Задача о кенигсбергских мостах.

В прусском городке Кенигсберг на реке Прегал семь мостов. Можно ли найти маршрут прогулки, который проходит ровно 1 раз по каждому из мостов и начинается и заканчивается в одном месте?

Граф, в котором найдется маршрут, начинающийся и заканчивающийся в одной вершине, и проходящий по всем ребрам графа ровно один раз, называется Эйлеровым графом.

Последовательность вершин (может быть с повторением), через которые проходит искомый маршрут, как и сам маршрут, называется Эйлеровым циклом .

Задача о трех домах и трех колодцах.

Имеется три дома и три колодца, каким-то образом расположенные на плоскости. Провести от каждого дома к каждому колодцу тропинку так, чтобы тропинки не пересекались. Эта задача была решена (показано, что решения не существует) Куратовским (1896 – 1979) в 1930 году.

Задача о четырех красках. Разбиение плоскости на непересекающиеся области называется картой . Области карты называются соседними, если они имеют общую границу. Задача состоит в раскрашивании карты таким образом, чтобы никакие две соседние области не были закрашены одним цветом. С конца XIX века известна гипотеза, что для этого достаточно четырех красок. Гипотеза не доказана до сих пор.

Суть опубликованного решения состоит в том, чтобы перебрать большое, но конечное число (около 2000) типов потенциальных контрпримеров к теореме о четырех красках и показать, что ни один случай контрпримером не является. Этот перебор был выполнен программой примерно за тысячу часов работы суперкомпьютера.

Проверить «вручную» полученное решение невозможно – объем перебора выходит за рамки человеческих возможностей. Многие математики ставят вопрос: можно ли считать такое «программное доказательство» действительным доказательством? Ведь в программе могут быть ошибки…

Таким образом, остается уповать на программистскую квалификацию авторов и верить, что они все сделали правильно.

Определение 7.1. Графом G = G (V , E ) называется совокупность двух конечных множеств: V – называемого множеством вершин и множества E пар элементов из V, т.е. EÍV´V, называемого множеством рёбер , если пары неупорядочены, или множеством дуг , если пары упорядочены.

В первом случае граф G (V , E ) называется неориентированным , во втором – ориентированным.

ПРИМЕР. Граф с множеством вершин V = {а,b,с} и множеством ребер Е ={{а, b}, {b, с}}

ПРИМЕР. Граф, у которого V = {a,b,c,d,e} и Е = {{а, b}, {а, е}, {b, е}, {b, d}, {b, с}, {с, d}},

Если e=(v 1 ,v 2), еÎЕ, то говорят, что ребро е соединяет вершины v 1 и v 2 .

Две вершины v 1 ,v 2 называются смежными , если существует соединяющее их ребро. В этой ситуации каждая из вершин называется инцидентной соответствующему ребру.

Два различных ребра смежны , если они имеют общую вершину. В этой ситуации каждое из ребер называется инцидентным соответствующей вершине.

Число вершин графа G обозначим v , а число ребер - e :

Геометрическое представление графов следующее:

1) вершина графа – точка в пространстве (на плоскости);

2) ребро неориентированного графа – отрезок;

3) дуга ориентированного графа – направленный отрезок.

Определение 7.2. Если в ребре e=(v 1 ,v 2) имеет место v 1 =v 2 , то ребро е называется петлёй . Если в графе допускается наличие петель, то он называется графом с петлями или псевдографом .

Если в графе допускается наличие более одного ребра между двумя вершинами, то он называется мультиграфом .

Если каждая вершина графа и (или) ребра помечена, то такой граф называется помеченным (или нагруженным ). В качестве пометок обычно используются буквы или целые числа.

Определение 7.3. Граф G  (V  , E  ) называется подграфом (или частью ) графа G (V ,E ), если V  V , E  E . Если V  = V , то G  называется остовным подграфом G .

Пример 7 . 1 . Дан неориентированный граф.

Определение 7.4. Граф называется полным , если любые две его вершины соединены ребром. Полный граф с n вершинами обозначается через K n .

Графы К 2 , К 3, К 4 и К 5 .

Определение 7.5. Граф G =G (V , E ) называется двудольным , если V можно представить как объединение непересекающихся множеств, скажем V =A B , так что каждое ребро имеет вид (v i , v j ), где v i A и v j B .

Каждое ребро связывает вершину из А с вершиной из В, но никакие две вершины из А или две вершины из В не являются связанными.

Двудольный граф называется полным двудольным графом K m , n , если A содержит m вершин, B содержит n вершин и для каждого v i A , v j B имеем (v i , v j )E .