Графы

Содержание

В этом разделе курса мы рассматриваем понятие графа. В последнее время теория графов стала простым, доступным и мощным средством решения вопросов, относящихся к широкому кругу проблем. Это проблемы проектирования интегральных схем и схем управления, исследования автоматов, логических цепей, блок-схем программ, экономики и статистики, химии и биологии, теории расписаний и дискретной оптимизации.

1 Основные понятия

В дальнейшем, если это явно не оговаривается, мы будем рассматривать только простые графы.

Способы задания графа

3. Матрица смежности

4. Матрица инцидентности

Понятие изоморфизма для графов имеет наглядное толкование. Представим рёбра графов эластичными нитями, связывающими узлы – вершины. Тогда, изоморфизм можно представить как перемещение узлов и растяжение нитей.

Пример 1 (изоморфизм). Покажем, что следующие два графа изоморфны.

1.1 Постройте изоморфизм графов

Определение 1 (Степень вершины).

Степенью вершины назовём удвоенное количество петель, инцидентных этой вершине плюс количество остальных инцидентных ей рёбер.

1.2 Докажите, что изоморфизм сохраняет степени вершин графа. Иначе говоря, степень образа вершины при изоморфизме совпадает со степенью самой вершины.

1.3 Проверьте, изоморфны ли графы. см. Указания

1.4 Докажите, что сумма всех степеней вершин графа равна удвоенному количеству рёбер.

1.5 Докажите, что в любом графе количество вершин нечётной степени – чётное число. см. Указания

Подграфы

Определение 2 (Подграф). Подграфом графа называется граф, являющийся подмоделью исходного графа. Иначе говоря, подграф содержит некоторые вершины исходного графа и некоторые рёбра (только те, оба конца которых входят в подграф).

Определение 3 (Подграф, порождённый множеством вершин).

Два последних определения дают два вида максимальности подграфов: максимальность множества вершин и максимальность множества рёбер. Это подтверждают следующие три задачи:

1.6 Докажите, что подграф H графа G является порождённым множеством своих вершин тогда и только тогда, когда не существует ни одного другого подграфа графа G, для которого H являлся бы остовным подграфом.

1.7 Докажите, что подграф H графа G является остовным тогда и только тогда, когда не существует ни одного другого подграфа графа G, для которого H являлся бы подграфом, порождённым множеством своих вершин.

1.8 Докажите, что если подграф является остовным подграфом и подграфом, порождённым множеством своих вершин одновременно, то этот подграф – сам граф.

Определение 5 (Пустой, полный графы). Пустым называется граф без рёбер. Полным называется граф, в котором каждые две вершины смежны.

1.9 Докажите, что граф является пустым тогда и только тогда, когда все его подграфы – тоже пустые.

1.10 Докажите, что граф является полным тогда и только тогда, когда все его подграфы, порождённые некоторым множеством вершин – тоже полные.

1.11 Докажите, что полные (пустые) графы изоморфны тогда и только тогда, когда они имеют одинаковое количество вершин.

1.12 Докажите, что пустой граф с n вершинами содержит ровно n попарно неизоморфных подграфов.

1.13 Докажите, что граф с n вершинами является пустым тогда и только тогда, когда он содержит ровно n попарно неизоморфных подграфов.

1.14 Докажите, что полный граф с n вершинами содержит ровно n попарно неизоморфных подграфов, порождённых некоторыми множествами вершин.

1.15 Докажите, что граф с n вершинами является полным или пустым тогда и только тогда, когда он содержит ровно n попарно неизоморфных подграфов, порождённых некоторыми множествами вершин.

2 Маршруты, цепи и циклы

Маршруты, цепи и циклы

Пример 2 (цепь). Маршрут a, < a,b >,b, < b,c >,c, < c,a >,a, < a,d >,d в первом графе из примера 1 является цепью, но не является простой цепью.

Замечание. Мы будем отождествлять циклы, являющиеся циклическими перестановками друг друга.

2.1 Докажите, что изоморфизм сохраняет циклы графа.

2.2 Вернитесь к задаче 1.3 и получите для неё более простое решение. см. Указания

Графы часто используют для изображения различных отношений (например, иерархических отношений, т.е., на языке математики – отношений частичного порядка). Правда, для точного представления таких графов необходимо выразить понятие направления на графе. Мы не будем сейчас вводить новые понятия, а будем просто использовать расположение вершин на рисунках (одна выше или ниже другой).

Пример 3 (граф отношения делимости). Построим граф, изображающее отношение делимости на множестве <1,2,3,4,5,6,7,8,9,10>. Принцип такой: если от одного числа до другого есть цепь, ведущая вверх, тогда второе число делится на первое.

Связность графа

2.3 Покажите, что отношение связанности вершин является отношением эквивалентности. см. Указания

Определение 9 (Связные компоненты). Связными компонентами графа называются подграфы данного графа, вершины которых являются классами эквивалентности отношения свзанности в данном графе.

2.4 Докажите, что связная компонента является связным графом.

Определение 10 (Цикломатическое число). Цикломатическим числом графа называется число связных компонент графа плюс число рёбер минус число вершин.

Эйлеровы и гамильтоновы циклы

Определение 11 (Эйлеров цикл). Эйлеровым называется цикл, проходящий по каждому ребру графа ровно один раз. Граф, имеющий эйлеров цикл, тоже будем называть эйлеровым.

Теорема 1 (Критерий эйлеровости графа). Связный граф является эйлеровым тогда и только тогда, когда степени всех его вершин – чётные числа.

Требование связности в теореме естественно – несвязный граф может быть эйлеровым только в том случае, если только одна связная компонента содержит рёбра. *

2.6 Докажите, что в связном графе существует эйлерова цепь тогда и только тогда, когда граф содержит не более двух вершин нечётной степени. см. Указания

Определение 12 (Гамильтонов цикл). Гамильтоновым называется цикл, проходящий по каждой вершине графа ровно один раз.

2.8 Содержит ли гамильтонов цикл граф ромбического додекаэдра:

Деревья

Деревья особенно часто возникают на практике при изображении различных иерархий. Например, популярны генеологические деревья.

Пример 5 (генеологическое дерево). На рисунке показано библейское генеологическое дерево.

2.9 Докажите, что граф является деревом тогда и только тогда, когда любая пара различных вершин соединена единственной цепью.

2.10 Докажите, что граф является деревом тогда и только тогда, когда он связен, но после удаления любого ребра становится несвязным.

2.11 Докажите, что количество рёбер дерева на единицу меньше количества вершин. см. Указания

2.12 Докажите, что связными компонентами леса являются деревья.

2.13 Докажите, что цикломатическое число леса равно нулю. см. Указания

Деревья – очень удобный инструмент представления информации самого разного вида. Деревья отличаются общего случая от простых графов тем, что при обходе дерева невозможны циклы. Это делает графы очень удобной формой организации данных для различных алгоритмов. Таким образом, понятие дерева активно используется в информатике и программировании.

3 Раскраска, плоские графы

Раскраска графов

Пример 6 (раскраска). На следующем рисунке показана правильная раскраска.

3.1 Найдите хроматические числа графов, упоминающихся в задачах и примерах.

3.2 Докажите, что если в графе все циклы имеют чётную длину, то существует правильная раскраска этого графа в 2 краски.

3.3 Докажите, что для любого дерева хроматическое число не превосходит 2.

3.4 Покажите, что необходимым условием существования гамильтонова цикла в графе с хроматическим числом равным 2 является равенство количества вершин, раскрашенных в разные краски.

3.5 Вернитесь к задаче 2.8 (о ромбическом додекаэдре) и получите её решение исходя из предыдущей задачи.

Грани графа

Помимо использования в дискретной математике, графы находят применение и в непрерывной математике, особенно в топологии. При этом графы представляют геометрические объекты на некоторой поверхности (часто на плоскости или на поверхности сферы.)

Определение 17 (Плоский граф). Существует правило изображение графов на поверхности: рёбра графа должны пересекаться только своими концами, то есть в точках, представляющих вершины графа.

Данное понятие грани, по-существу, совпадает с понятием грани многогранника. В качестве поверхности в этом случае выступает поверхность многогранника. Если многогранник выпуклый, его можно изобразить на плоскости, сохранив все грани. Это можно наглядно представить следующим образом: одну из граней многогранника растягиваем, а сам многогранник «расплющиваем» так

Источник

Что такое остовный подграф

Граф это множество точек или вершин и множество линий или ребер, соединяющих между собой все или часть этих точек. Вершины, прилегающие к одному и тому же ребру, называются смежными.
Если ребра ориентированны, что обычно показывают стрелками, то они называются дугами, и граф с такими ребрами называется ориентированным графом.
Если ребра не имеют ориентации, граф называется неориентированным.

Граф

Петля это дуга, начальная и конечная вершина которой совпадают.

Простой граф граф без кратных ребер и петель.

Степень вершины это удвоенное количество петель, находящихся у этой вершины плюс количество остальных прилегающих к ней ребер.

Пустым называется граф без ребер. Полным называется граф, в котором каждые две вершины смежные.

ПУТИ, МАРШРУТЫ, ЦЕПИ и ЦИКЛЫ.

Путь в ориентированном графе — это последовательность дуг, в которой конечная вершина всякой дуги, отличной от последней, является начальной вершиной следующей.

Маршрут в графе путь, ориентацией дуг которого можно пренебречь.
Цепь маршрут, в котором все ребра попарно различны.
Цикл замкнутый маршрут, являющийся цепью.

Маршрут, в котором все вершины попарно различны, называют простой цепью. Цикл, в котором все вершины, кроме первой и последней, попарно различны, называются простым циклом.

Граф отношения делимости

Построим граф, изображающий отношение делимости на множестве . Принцип такой: если от одного числа до другого есть цепь, ведущая вверх, тогда второе число делится на первое (рис. 2.16).

ПОДГРАФЫ

Подграф графа это граф, являющийся подмоделью исходного графа, т.е. подграф содержит некоторые вершины исходного графа и некоторые ребра (только те, оба конца которых входят в подграф).

Подграф называется остовным подграфом, если множество его вершин совпадает с множеством вершин самого графа.

Связность графа

Граф называется связным, если любая пара его вершин связана.
Связными компонентами графа называются подграфы данного графа, вершины которых связаны.

Деревья

Дерево — это связный граф без циклов.
Деревья особенно часто возникают на практике при изображении различных иерархий. Например, популярны генеалогические деревья.

Генеалогическое дерево

На рисунке 2.17 показано библейское генеалогическое дерево.

Очевидно, что графический способ представления графов непригоден для ПК. Поэтому существуют другие способы представления графов.

В теории графов применяются

Составим матрицы инциндентности и смежности для следующего непрерывного графа (рис. 2.18)

Источник

Что такое остовный подграф

Пусть дан граф Остовным подграфом графа называется граф для которого . Таким образом, остовный подграф имеет то же самое множество вершин, что и граф но множество дуг подграфа является подмножеством множества дуг исходного графа.

Граф на рис. остовный подграф графа изображенного на рис. 1.4(a).

Пусть дан граф Порожденным подграфом называется граф для которого и для каждой вершины Таким образом, порожденный подграф состоит из подмножества вершин множества вершин исходного графа и всех таких дуг графа которых конечные и начальные вершины принадлежат подмножеству Часто бывает удобно обозначать подграф просто символом мы будем в дальнейшем использовать такое обозначение, если нет опасности внесения путаницы.

На рис. 1.4(b) показан порожденный подграф графа, приведенного на рис. 1.4(a), содержащий только вершины и дуги, которые их связывают.

Рис. 1.4. (см. скан) (а) Граф. (б) Остовный подграф. (в) Порожденный подграф, (г) Подграф.

Соединяя приведенные выше два определения, можно сформулировать определение подграфа. Граф, показанный на рис. 1.4(г), является подграфом графа, приведенного на рис. 1.4(a).

Рассмотрим граф, вершины которого представляют сотрудников некоторого учреждения, а дуги — линии связи между сотрудниками. Тогда граф, представляющий только наиболее важные каналы связи данного учреждения, является остовным подграфом; граф, который подробно представляет линии связи только какой-то части этого учреждения (например, отделения), является порожденным подграфом, а граф, который представляет только важные линии связи в пределах отделения, является подграфом.

Источник

Теория графов. Основные понятия и виды графов

Теория графов

В переводе с греческого граф — «пишу», «описываю». В современном мире граф описывает отношения. И наоборот: любое отношение можно описать в виде графа.

Теория графов — обширный раздел дискретной математики, в котором системно изучают свойства графов.

Теория графов широко применяется в решении экономических и управленческих задач, в программировании, химии, конструировании и изучении электрических цепей, коммуникации, психологии, социологии, лингвистике и в других областях.

Для чего строят графы: чтобы отобразить отношения на множествах. По сути, графы помогают визуально представить всяческие сложные взаимодействия: аэропорты и рейсы между ними, разные отделы в компании, молекулы в веществе.

Давайте на примере.

На множестве A зададим отношение знакомства между людьми из этого множества. Строим граф из точек и связок. Связки будут связывать пары людей, знакомых между собой.

Число знакомых у одних людей может отличаться от числа знакомых у других людей, некоторые могут вовсе не быть знакомы (такие элементы будут точками, не соединёнными ни с какой другой). Так получился граф:

В данном случае точки — это вершины графа, а связки — рёбра графа.

Теория графов не учитывает конкретную природу множеств A и B. Существует большое количество разных задач, при решении которых можно временно забыть о содержании множеств и их элементов. Эта специфика не отражается на ходе решения задачи.

Например, вопрос в задаче стоит так: можно ли из точки A добраться до точки E, если двигаться только по соединяющим точки линиям. Когда задача решена, мы получаем решение, верное для любого содержания, которое можно смоделировать в виде графа.

Не удивительно, что теория графов — один из самых востребованных инструментов при создании искусственного интеллекта: ведь искусственный интеллект может обсудить с человеком вопросы отношений, географии или музыки, решения различных задач.

Графом называется система объектов произвольной природы (вершин) и связок (ребер), соединяющих некоторые пары этих объектов.

Пусть V — (непустое) множество вершин, элементы v ∈ V — вершины. Граф G = G(V) с множеством вершин V есть некоторое семейство пар вида: e = (a, b), где a, b ∈ V, указывающих, какие вершины остаются соединёнными. Каждая пара e = (a, b) — ребро графа. Множество U — множество ребер e графа. Вершины a и b — концевые точки ребра e.

Широкое применение теории графов в компьютерных науках и информационных технологиях можно объяснить понятием графа как структуры данных. В компьютерных науках и информационных технологиях граф можно описать, как нелинейную структуру данных.

Линейные структуры данных особенны тем, что связывают элементы отношениями по типу «простого соседства». Линейными структурами данных можно назвать массивы, таблицы, списки, очереди, стеки, строки. В нелинейных структурах данных элементы располагаются на различных уровнях иерархии и подразделяются на три вида: исходные, порожденные и подобные.

Основные понятия теории графов

Граф — это геометрическая фигура, которая состоит из точек и линий, которые их соединяют. Точки называют вершинами графа, а линии — ребрами.

Лемма о рукопожатиях

В любом графе сумма степеней всех вершин равна удвоенному числу ребер.

Доказательство леммы о рукопожатиях

Если ребро соединяет две различные вершины графа, то при подсчете суммы степеней вершин мы учтем это ребро дважды.

Если же ребро является петлей — при подсчете суммы степеней вершин мы также учтем его дважды (по определению степени вершины).

Из леммы о рукопожатиях следует: в любом графе число вершин нечетной степени — четно.

Пример 1. В классе 30 человек. Может ли быть так, что у 9 из них есть 3 друга в этом классе, у 11 — 4 друга, а у 10 — 5 друзей? Учесть, что дружбы взаимные.

Если бы это было возможно, то можно было бы нарисовать граф с 30 вершинами, 9 из которых имели бы степень 3, 11 — со степенью 4, 10 — со степенью 5. Однако у такого графа 19 нечетных вершин, что противоречит следствию из леммы о рукопожатиях.

Пример 2. Каждый из 102 учеников одной школы знаком не менее чем с 68 другими. Доказать, что среди них найдутся четверо ребят с одинаковым числом знакомых.

Сначала предположим противоположное. Тогда для каждого числа от 68 до 101 есть не более трех человек с таким числом знакомых. С другой стороны, у нас есть ровно 34 натуральных числа, начиная с 68 и заканчивая 101, а 102 = 34 * 3.

Это значит, что для каждого числа от 68 до 101 есть ровно три человека, имеющих такое число знакомых. Но тогда количество людей, имеющих нечетное число знакомых, нечетно. Противоречие.

Путь и цепь в графе

Путем или цепью в графе называют конечную последовательность вершин, в которой каждая вершина (кроме последней) соединена со следующей в последовательности вершин ребром.

Циклом называют путь, в котором первая и последняя вершины совпадают.

Путь или цикл называют простым, если ребра в нем не повторяются.

Если в графе любые две вершины соединены путем, то такой граф называется связным.

Можно рассмотреть такое подмножество вершин графа, что каждые две вершины этого подмножества соединены путем, а никакая другая вершина не соединена ни с какой вершиной этого подмножества.

Каждое такое подмножество, вместе со всеми ребрами исходного графа, соединяющими вершины этого подмножества, называется компонентой связности.

Один и тот же граф можно нарисовать разными способами. Вот, например, два изображения одного и того же графа, которые различаются кривизной:

Два графа называются изоморфными, если у них поровну вершин. При этом вершины каждого графа можно занумеровать числами так, чтобы вершины первого графа были соединены ребром тогда и только тогда, когда соединены ребром соответствующие занумерованные теми же числами вершины второго графа.

Граф H, множество вершин V’ которого является подмножеством вершин V данного графа G и множество рёбер которого является подмножеством рёбер графа G соединяющими вершины из V’ называется подграфом графа G.

Визуализация графовых моделей

Визуализация — это процесс преобразования больших и сложных видов абстрактной информации в интуитивно-понятную визуальную форму. Другими словами, когда мы рисуем то, что нам непонятно — и сразу все встает на свои места.

Графы — и есть помощники в этом деле. Они помогают представить любую информацию, которую можно промоделировать в виде объектов и связей между ними.

Граф можно нарисовать на плоскости или в трехмерном пространстве. Его можно изобразить целиком, частично или иерархически.

Изобразительное соглашение — одно из основных правил, которому должно удовлетворять изображение графа, чтобы быть допустимым. Например, при изображении блок-схемы программы можно использовать соглашение о том, что все вершины должны изображаться прямоугольниками, а дуги — ломаными линиями с вертикальными и горизонтальными звеньями. При этом, конкретный вид соглашения может быть достаточно сложен и включать много деталей.

Виды изобразительных соглашений:

Виды графов

Виды графов можно определять по тому, как их построили или по свойствам вершин или ребер.

Ориентированные и неориентированные графы

Графы, в которых все ребра являются звеньями, то есть порядок двух концов ребра графа не существенен, называются неориентированными.

Графы, в которых все ребра являются дугами, то есть порядок двух концов ребра графа существенен, называются ориентированными графами или орграфами.

Неориентированный граф можно представить в виде ориентированного графа, если каждое его звено заменить на две дуги с противоположным направлением.

Графы с петлями, смешанные графы, пустые графы, мультиграфы, обыкновенные графы, полные графы

Если граф содержит петли — это обстоятельство важно озвучивать и добавлять к основной характеристике графа уточнение «с петлями». Если граф не содержит петель, то добавляют «без петель».

Смешанным называют граф, в котором есть ребра хотя бы двух из упомянутых трех разновидностей (звенья, дуги, петли).

Пустой граф — это тот, что состоит только из голых вершин.

Мультиграфом — такой граф, в котором пары вершин соединены более, чем одним ребром. То есть есть кратные рёбра, но нет петель.

Граф без дуг, то есть неориентированный, без петель и кратных ребер называется обыкновенным.

Граф 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.

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.

Например, полный двудольный граф состоит из двух множеств вершин и из всевозможных звеньев, которые соединяют вершины одного множества с вершинами другого множества.

Эйлеров граф

Эйлеров граф отличен тем, что в нем можно обойти все вершины и при этом пройти одно ребро только один раз. В нём каждая вершина должна иметь только чётное число рёбер.

Пример. Является ли полный граф с одинаковым числом n рёбер, которым инцидентна каждая вершина, эйлеровым графом?

Регулярный граф

Регулярным графом называется связный граф, все вершины которого имеют одинаковую степень k.

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. Построить регулярный граф, в котором самый короткий цикл имеет длину 4.

Чтобы длина цикла соответствовала заданному условию, нужно чтобы число вершин графа было кратно четырем. Если число вершин равно четырём — получится регулярный граф, в котором самый короткий цикл имеет длину 3.

Увеличим число вершин до восьми (следующее кратное четырем число). Соединим вершины ребрами 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, который проходит через все вершины рассматриваемого графа.

Говоря проще, гамильтонов граф — это такой граф, в котором можно обойти все вершины, и каждая вершина при обходе повторяется лишь один раз.

Взвешенный граф

Взвешенным графом называется граф, вершинам и/или ребрам которого присвоены «весы» — обычно некоторые числа. Пример взвешенного графа — транспортная сеть, в которой ребрам присвоены весы: они показывают стоимость перевозки груза по ребру и пропускные способности дуг.

Графы-деревья

Деревом называется связный граф без циклов. Любые две вершины дерева соединены лишь одним маршрутом.

Приведенное соотношение выражает критическое значение числа рёбер дерева, так как, если мы присоединим к дереву ещё одно ребро — будет создан цикл. А если уберем одно ребро, то граф-дерево разделится на две компоненты. Граф, состоящий из компонент дерева, называется лесом.

Определение дерева

Деревом называется связный граф, который не содержит циклов.

Таким образом, в дереве невозможно вернуться в исходную вершину, перемещаясь по ребрам и не проходя по одному ребру два или более раз.

Циклом называется замкнутый путь, который не проходит дважды через одну и ту же вершину.

Простым путем называется путь, в котором никакое ребро не встречается дважды.

Легко проверить, что дерево — это граф, в котором любые две вершины соединены ровно одним простым путем. Если выкинуть любое ребро из дерева, то граф станет несвязным. Поэтому:

Дерево — минимальный по числу рёбер связный граф.

Висячей вершиной называется вершина, из которой выходит ровно одно ребро.

Определения дерева:

Очень часто в дереве выделяется одна вершина, которая называется корнем дерева. Дерево с выделенным корнем называют корневым или подвешенным деревом. Пример: генеалогическое дерево.

Когда изображают деревья, то часто применяют дополнительные соглашения, эстетические критерии и ограничения.

Например, при соглашении включения (рис. 1) вершины корневого дерева изображают прямоугольниками, а соглашение — опрокидывания (рис. 2) подобно классическому соглашению нисходящего плоского изображения корневого дерева. Вот так могут выглядеть разные изображения одного дерева:

Теоремы дерева и их доказательства

В дереве с более чем одной вершиной есть висячая вершина.

Доказательство первой теоремы:

Пойдем из какой-нибудь вершины по ребрам. Так как в дереве нет циклов, то мы не вернемся в вершину, в которой уже побывали. Если у каждой вершины степень больше 1, то найдется ребро, по которому можно уйти из неё после того, как мы пришли в нее.

Но поскольку количество вершин в дереве конечно, когда-нибудь мы остановимся в некоторой вершине. Противоречие. Значит, когда-нибудь мы дойдём в висячую вершину. Если же начать идти из неё, то мы найдём вторую висячую вершину.

В дереве число вершин на 1 больше числа ребер.

Доказательство второй теоремы:

Докажем по индукции по количеству вершин в дереве n. Если в дерево одна вершина, то факт верен. Предположим, что для всех n

У любого связного графа есть остовное дерево.

Доказательство третьей теоремы:

Чтобы найти остовное дерево графа G, можно найти цикл в графе G и выкинуть одно ребро цикла — потом повторить. И так пока в графе не останется циклов. Полученный граф будет связным, так как мы выкидывали рёбра, не нарушая связность, но в нём не будет циклов. Значит, он будет деревом.

Теория графов и современные прикладные задачи

На основе теории графов создали разные методы решения прикладных задач, в которых в виде графов можно моделировать сложные системы. В этих моделях узлы содержат отдельные компоненты, а ребра отражают связи между компонентами.

Графы и задача о потоках

Система водопроводных труб в виде графа выглядит так:

Каждая дуга графа отображает трубу. Числа над дугами (весы) — пропускная способность труб. Узлы — места соединения труб. Вода течёт по трубам только в одном направлении. Узел S — источник воды, узел T — сток.

Задача: максимизировать объём воды, протекающей от источника к стоку.

Для решения задачи о потоках можно использовать метод Форда-Фулкерсона. Идея метода в том, чтобы найти максимальный поток по шагам.

Сначала предполагают, что поток равен нулю. На каждом последующем шаге значение потока увеличивается, для чего ищут дополняющий путь, по которому поступает дополнительный поток. Эти шаги повторяют до тех пор, пока существуют дополнительные пути.

Задачу успешно применяют в различных распределенных системах: система электроснабжения, коммуникационная сеть, система железных дорог.

Графы и сетевое планирование

В задачах планирования сложных процессов, где много разных параллельных и последовательных работ, часто используют взвешенные графы. Их еще называют сетью ПЕРТ (PERT).

PERT (Program (Project) Evaluation and Review Technique) — техника оценки и анализа программ (проектов), которую используют при управлении проектами.

Сеть ПЕРТ — взвешенный ациклический ориентированный граф, в котором каждая дуга представляет работу (действие, операцию), а вес дуги — время, которое нужно на ее выполнение.

Если в сети есть дуги (a, b) и (b, c), то работа, представленная дугой (a, b), должна быть завершена до начала выполнения работы, представленной дугой (b, c). Каждая вершина (vi) представляет момент времени, к которому должны быть завершены все работы, задаваемые дугами, оканчивающимися в вершине (vi).

Путь максимальной длины между этими вершинами графа называется критическим путем. Чтобы выполнить всю работу быстрее, нужно найти задачи на критическом пути и придумать, как их выполнить быстрее. Например, нанять больше людей, перепридумать процесс или ввести новые технологии.

Источник

• ← Что такое остовное дерево
• Что такое остовы судов →