Теория Графов, 1.1 Историческая справка - Определение кратчайшего пути в графе
Граф дискретный программирование
1.1 Историческая справка
ТЕОРИЯ ГРАФОВ - это область дискретной математики, особенностью которой является геометрический подход к изучению объектов. Теория графов находится сейчас в самом расцвете. Обычно ее относят к топологии (потому что во многих случаях рассматриваются лишь топологические свойства графов), однако она пересекается со многими разделами теории множеств, комбинаторной математики, алгебры, геометрии, теории матриц, теории игр, математической логики и многих других математических дисциплин. Основной объект теории графов-граф и его обобщения.
Первые задачи теории графов были связаны с решением математических развлекательных задач и головоломок (задача о Кенигсбергских мостах, задача о расстановке ферзей на шахматной доске, задачи о перевозках, задача о кругосветном путешествии и другие). Одним из первых результатов в теории графов явился критерий существования обхода всех ребер графа без повторений, полученный Л. Эйлером при решении задачи о Кенигсбергских мостах. Вот пересказ отрывка из письма Эйлера от 13 марта 1736 году: " Мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто 7 мостов. 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 смог 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 мосты схематически можно изобразить так:
Правило Эйлера:
В графе, не имеющем вершин нечетных степеней, существует обход всех ребер (причем каждое ребро проходится в точности один раз) с началом в любой вершине графа.
В графе, имеющем две и только две вершины с нечетными степенями, существует обход с началом в одной вершине с нечетной степенью и концом в другой.
В графе, имеющим более двух вершин с нечетной степенью, такого обхода не существует.
Существует еще один вид задач, связанных с путешествиями вдоль графов. Речь идет о задачах, в которых требуется отыскать путь, проходящий через все вершины, причем не более одного раза через каждую. Цикл, проходящий через каждую вершину один и только один раз, носит название гамильтоновой линии( в честь Уильяма Роуэна Гамильтона, знаменитого ирландского математика прошлого века, который первым начал изучать такие линии). К сожалению, пока еще не найден общий критерий, с помощью которого можно было бы решить, является ли данный граф гамильтоновым, и если да, то найти на нем все гамильтоновы линии.
Сформулированная в середине 19 в. проблема четырех красок также выглядит как развлекательная задача, однако попытки ее решения привели к появлению некоторых исследований графов, имеющих теоретическое и прикладное значение. Проблема четырех красок формулируется так: "Можно ли область любой плоской карты раскрасить четырьмя цветами так, чтобы любые две соседние области были раскрашены в различные цвета?". Гипотеза о том, что ответ утвердительный, была сформулирована в середине 19в. В 1890 году было доказано более слабое утверждение, а именно, что любая плоская карта раскрашивается в пять цветов. Сопоставляя любой плоской карте двойственный ей плоский граф, получают эквивалентную формулировку задачи в терминах графов: Верно ли, что хроматическое число любого плоского графа меньше либо равно четырех? Многочисленные попытки решения задачи оказали влияние на развитие ряда направлений теории графов. В 1976 году анонсировано положительное решение задачи с использованием ЭВМ.
Другая старая топологическая задача, которая особенно долго не поддавалась решению и будоражила умы любителей головоломок, известна как "задача об электро -, газо - и водоснабжении". В 1917 году Генри Э. Дьюдени дал ей такую формулировку. В каждый из трех домов, изображенных на рисунке, необходимо провести газ, свет и воду.
Свет Вода Газ
Можно ли так проложить коммуникации, чтобы они, нигде не пересекаясь друг с другом, соединяли каждый дом с источниками электричества, газа и воды? Иначе говоря, можно построить плоский граф с вершинами в шести указанных точках? Оказывается, такой граф построить нельзя. Об этом говорится в одной очень важной теореме - так называемой теореме Куратовского. Теорема утверждает, что каждый граф, не являющийся плоским, содержит в качестве подграфа один из двух простейших пространственных графов:
В середине 19 в. появились работы, в которых при решении практических задач были получены результаты, относящиеся к теории графов. Так, например, Г. Кирхгоф при составлении полной системы уравнений для токов и напряжений в электрической схеме предложил по существу представлять такую схему графом и находить в этом графе остовные деревья, с помощью которых выделяются линейно независимые системы контуров. А. Кэли, исходя из задач подсчета числа изомеров предельных углеводородов, пришел к задачам перечисления и описания деревьев, обладающих заданными свойствами, и решил некоторые из них.
В 20 в. задачи, связанные с графами, начали возникать не только в физике, химии, электротехнике биологии, экономике, социологии и т. д., но и внутри математики, в таких разделах, как топология, алгебра, теория вероятностей, теория чисел. В начале 20 в. графы стали использоваться для представления некоторых математических объектов и формальной постановки различных дискретных задач; при этом наряду с термином "граф" употреблялись и другие термины, например, карта, комплекс, диаграмма, сеть, лабиринт. После выхода в свет в 1936 году монографии Д. Кенига термин "граф" стал более употребительным, чем другие. В этой работе были систематизированы известные к тому времени факты. В 1936 году вышла небольшая брошюра Ойстена Оре, содержащая блестящее элементарное введение в теорию графов. В 1962 году в Англии была издана книга французского математика Клода Бержа "Теория графов и ее приложение". Обе книги, безусловно, представляют интерес для любителей занимательной математики. Сотни известных головоломок, на первый взгляд не имеющих ничего общего друг с другом, легко решаются с помощью теории графов.
В 20-30-х годах 20 в. появились первые результаты, относящиеся к изучению свойств связности, планарности, симметрии графов, которые привели к формированию ряда новых направлений в теории графов.
Значительно расширились исследования по теории графов в конце 40-х - начале 50-х годов, прежде всего в силу развития кибернетики и вычислительной техники. Благодаря развитию вычислительной техники, изучению сложных кибернетических систем, интерес к теории графов возрос, а проблематика теории графов существенным образом обогатилась. Кроме того, использование ЭВМ позволило решать возникающие на практике конкретные задачи, связанные с большим объемом вычислений, прежде не поддававшиеся решению. Для ряда экстремальных задач теории графов были разработаны методы их решения, например, один из таких методов позволяет решать задачи о построении максимального потока через сеть. Для отдельных классов графов (деревья, плоские графы и т. д.), которые изучались и ранее, было показано, что решения некоторых задач для графов из этих классов находятся проще, чем для произвольных графов (нахождение условий существования графов с заданными свойствами, установление изоморфизма графов и др.).
Характеризуя проблематику теории графов, можно отметить, что некоторые направления носят более комбинаторный характер, другие - более геометрический. К первым относятся, например, задачи о подсчете и перечислении графов с фиксированными свойствами, задачи о построении графов с заданными свойствами. Геометрический (топологический) характер носят многие циклы задач теории графов, например, графов обходы, графов укладки. Существуют направления, связанные с различными классификациями графов, например, по свойствам их разложения.
Примером результата о существовании графов с фиксированными свойствами может служить критерий реализуемости чисел степенями вершин некоторого графа: набор целых чисел, сумма которых четна, можно реализовать степенями вершин графа без петель и кратных ребер тогда и только тогда, когда для любого R выполняется условие
Примерами задач о подсчете графов с заданными свойствами являются задачи о нахождении количеств неизоморфных графов с одинаковым числом вершин и (или) ребер. Для числа неизоморфных деревьев с N вершинами была получена асимптотическая формула
Где C== 0,534948..., E== 2,95576...
Для числа Gn Неизоморфных графов без петель и кратных ребер с N вершинами было показано, что
Наряду с проблемами, носящими общий характер, в теории графов имеются специфические циклы задач. В одном из них изучаются различные свойства связности графов, исследуется строение графов по свойствам связности. При анализе надежности сетей связи, электронных схем, коммуникационных сетей возникает задача о нахождении количеств непересекающихся цепей, соединяющих различные вершины графа. Здесь получен ряд результатов. Например, наименьшее число вершин, разделяющих две несмежные вершины графа, равно наибольшему числу непересекающихся (по вершинам) простых цепей, соединяющих эту пару вершин. Найдены критерии и построены эффективные алгоритмы установления меры связности графа (наименьшего числа вершин или ребер, удаление которых нарушает связность графа).
В другом направлении исследований теории графов изучаются маршруты, содержащие все вершины или ребра графа. Известен простой критерий существования маршрута, содержащего все ребра графа: в связном графе цикл, содержащий все ребра и проходящий по каждому ребру один раз, существует тогда и только тогда, когда все вершины графа имеют четные степени. В случае обхода множества вершин графа имеется только ряд достаточных условий существования цикла, проходящего по всем вершинам графа по одному разу. Характерным специфическим направлением теории графов является цикл задач, связанный с раскрасками графов, в котором изучаются разбиения множества вершин (ребер), обладающие определенными свойствами, например, смежные вершины (ребра) должны принадлежать различным множествам (вершины или ребра из одного множества окрашиваются одним цветом). Было доказано, что наименьшее число цветов, достаточное для раскраски ребер любого графа без петель с максимальной степенью A, равно Зa/2, а для раскраски вершин любого графа без петель и кратных ребер достаточно A+1 цветов.
Существуют и другие циклы задач, некоторые из них сложились под влиянием различных разделов математики. Так, под влиянием топологии производится изучение вложений графов в различные поверхности. Например, было получено необходимое и достаточное условие вложения графа в плоскость (критерий Понтрягина - Куратовского см. выше): граф является плоским тогда и только тогда, когда он не содержит подграфов, получаемых с помощью подразбиения ребер из полного 5-вершинного графа и полного двудольного графа с тремя вершинами в каждой доле. Под влиянием алгебры стали изучаться группы автоморфизмов графов. В частности, было доказано, что каждая конечная группа изоморфна группе автоморфизмов некоторого графа. Влияние теории вероятностей сказалось на исследовании графов случайных. Многие свойства были изучены для "почти всех" графов; например, было показано, что почти все графы с N вершинами связаны, имеют диаметр 2, обладают гамильтоновым циклом (циклом, проходящим через все вершины графа по одному разу).
В теории графов существуют специфические методы решения экстремальных задач. Один из них основан на теореме о максимальном потоке и минимальном разрезе, утверждающей, что максимальный поток, который можно пропустить через сеть из вершины U в вершину V, равен минимальной пропускной способности разрезов, разделяющих вершины U и V. Были построены различные эффективные алгоритмы нахождения максимального потока.
Большое значение в теории графов имеют алгоритмические вопросы. Для конечных графов, т. е. для графов с конечным множеством вершин и ребер, как правило, проблема существования алгоритма решения задач, в том числе экстремальных, решается положительно. Решение многих задач, связанных с конечными графами, может быть выполнено с помощью полного перебора всех допустимых вариантов. Однако таким способом удается решить задачу только для графов с небольшим числом вершин и ребер. Поэтому существенное значение для теории графов имеет построение эффективных алгоритмов, находящих точное или приближенное решение. Для некоторых задач такие алгоритмы построены, например, для установления планарности графов, определения изоморфизма деревьев, нахождения максимального потока.
Результаты и методы теории графов применяются при решении транспортных задач о перевозках, для нахождения оптимальных решений задачи о назначениях, для выделения "узких мест" при планировании и управлении разработок проектов, при составлении оптимальных маршрутов доставки грузов, а также при моделировании сложных технология, процессов, в построении различных дискретных устройств, в программировании и т. д.
Похожие статьи
-
Введение - Определение кратчайшего пути в графе
Начало теории графов как математической дисциплины было положено Эйлером в его знаменитом рассуждение о Кенигсбергских мостах. Однако эта статья Эйлера...
-
Некоторые сведения из теории графов - Алгоритмы нескольких махов
Приведенные ниже определения взяты из [1,2,7-9], теоремы из [6]. Граф, или обыкновенный граф G -- это упорядоченная пара G := (V, E), где V -- это...
-
Основные определения, термины и понятия - Визуализация графа цитирования
1. Граф - совокупность множества вершин и наборов пар вершин, называемых ребрами. 2. Ориентированный граф - граф в котором пары вершин в ребрах...
-
Силовые алгоритмы для иерархически-кластеризованных графов - Визуализация графа цитирования
На данный момент мы рассмотрели алгоритм для отрисовки некластеризованных графов и их улучшения. Теперь необходимо изучить подходы, которые используются...
-
Автоматическое расположение вершин на плоскости - Визуализация графа цитирования
Первая проблема, о которой стоит поговорить - это проблема автоматического расположения вершин на плоскости. Для начала поставим базовую задачу, как она...
-
Свойства алгоритмов - Алгоритм
Данное выше определение алгоритма нельзя считать строгим - не вполне ясно, что такое "точное предписание" или "последовательность действий,...
-
Для проведения тестов была написана программа задания единичного интервального графа. Входные параметры: число вершин, длина отрезка на котором задается...
-
Программные модули проекта, Представление графа в памяти ЭВМ - Алгоритмы нескольких махов
Все программы были реализованы на языке С++ на персональной ЭВМ с операционной системой Windows. Каждая программа представляет собой консольное...
-
Итерационные алгоритмы разрезания графа на куски
Лекция Итерационные алгоритмы разрезания графа на куски Суть Итерационных Алгоритмов Разрезания Графов заключается в выборе первого случайного разрезания...
-
Реализация визуализации анимации алгоритма - Визуализация графа цитирования
При работе алгоритма расположения вершин графа необходимо анимировать изменения графа в режиме реального времени. Для этого используется специальная...
-
Существующие решения - Визуализация графа цитирования
На данный момент не было найдено решений, которые полностью бы удовлетворяли всем требованиям, однако существуют те, которые реализуют их не все и/или не...
-
Введение - Визуализация графа цитирования
В данной работе рассматриваются методы автоматической и полуавтоматической визуализации графов цитирования на плоскости. Визуализация графов на плоскости...
-
Элементы теории графов. Сеть Петри. Конечный автомат
Вариант №8 Задача 1. Элементы теории графов Связный ориентированный граф G(Х, Г) задан множеством вершин X={x1, x2, ..., xn} и отображением Гxi={x|Ik|,...
-
Библиотека GridMD поддерживает три механизма определения действий, связываемых с узлами графа [8]. Узел графа может соответствовать исполнению стороннего...
-
Мьютексы, Мониторы Хоара - Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы
Из вариантов семафорных механизмов для реализации взаимного исключения являются т. н. мьютексы (mutex). Мьютексы реализованы во многих ОС, их основное...
-
Использование муравьиных алгоритмов для решения задачи поиска оптимального маршрута в графе Цель работы Изучить метод муравьиных колоний. Научиться...
-
Основные термины теории баз данных - БД (База данных) - совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы...
-
В классическом анализе Шеннона идет речь лишь о передаче символов по одному информационному каналу от одного источника к одному приемнику. Его интересует...
-
Основная проблема, решаемая в аналитической модели: выбор способа вычисления весовых коэффициентов, отражающих степень и характер влияния факторов на...
-
Силовые алгоритмы расположения вершин на плоскости - Визуализация графа цитирования
Классический подход к решению таких задач это использовать алгоритм из семейства силовых. Основная идея таких алгоритмов - это рассматривать графы как...
-
Постановка задачи - Визуализация графа цитирования
В качестве результата выпускной квалификационной работы требуется создать программу, позволяющую визуализировать граф цитирования публикаций, которые...
-
Заключение - Визуализация графа цитирования
Визуализация мягко кластеризованных графов цитирования - актуальная и сложная задача, требующая многоуровневых и сложных подходов для решения. Но решение...
-
Специфика транспортной задачи позволяет находить новое опорное решение задачи и новый базис по правилу более простому, чем в симплекс-методе. Пусть...
-
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ ИМД основана на понятии деревьев, состоящих из вершин и ребер. Вершине дерева ставится в соответствие совокупности атрибутов...
-
ДОУ представляет собой взаимосвязанную совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки данных и выдачи документов для...
-
Собственные числа и собственные векторы матрицы Предположим, что среди бесконечного множества одномерных пространств R1 найдутся такие, которые будут...
-
Основные понятия и определения Прежде чем приступить к обсуждению вопросов оптимизации, введем ряд определений и рассмотрим основные понятия. Оптимизация...
-
Перед написанием основных алгоритмов были разработаны модули-классы, отвечающие за геометрические примитивы. Так как визуализация производится в...
-
Визуализация кластерной структуры. Bubble Sets - Визуализация графа цитирования
Для визуализации кластерной структуры был выбран алгоритм Bubble Sets [18]. Это гибкий алгоритм, относящийся к оверлеям, основанным на областях...
-
Программа задания случайных графов Эрдеша - Реньи - Алгоритмы нескольких махов
Программа реализует алгоритм задания случайных графов Эрдеша - Реньи. В качестве входных параметров задаются число вершин и число ребер. Вершины ребер...
-
Автоматическая расстановка вершин на плоскости Для автоматической расстановки вершин использовался алгоритм основанный на работах Eades [9],...
-
Определение веб-сайта - Электронная школа
"Сайт -- совокупность электронных документов(файлов) частного лица или организации в компьютерной сети, объединенных под одним адресом (доменным именем...
-
UGC. Теория и терминология, Определение UGC - Пользовательский контент
Определение UGC UGC (User Generated Content англ. Контент, произведенный пользователями) - разновидность контента, который на добровольной бесплатной...
-
Введение, РЕКУРСИЯ - Рекурсивное программирование
Основой для разработки рекурсивных алгоритмов служат, так называемые, Рекуррентные соотношения (формулы), устанавливающие зависимость между результатами...
-
Введение - Алгоритмы нескольких махов
Теория графов в последнее время широко используется в различных отраслях науки и техники, особенно в экономике и социологии, а также в генетике,...
-
Контейнер оборудован m отсеками вместимостью для перевозки n видов продукции. Виды продукции характеризуются свойством неделимости, т. е. их можно брать...
-
Что это такое 3D-акселератор -- сложная штуковина. Несколько десятков миллионов вентилей в основном кристалле, еще несколько -- в сервисных (DDR, RAMDAC...
-
Математическое обеспечение позволяет использовать методы автоматизированного поиска оптимальных вариантов при проектировании системы. Часто при решении...
-
При разработке различных объектов и процессов в большинстве случаев требуется ввести более одной целевой функции. В этом случае, намного эффективней...
-
Задание: 1. Прочитать текст "Алгоритм и его свойства", в таблице №1 "Алгоритм и его свойства" проверьте правильное заполнение таблицы. Запишите в тетрадь...
Теория Графов, 1.1 Историческая справка - Определение кратчайшего пути в графе