Схема графа, состоящая из «изолированных» вершин, называется нулевым графом . (рис.2 )

Графы, в которых не построены все возможные ребра, называются неполными графами . (рис.3 )

Графы, в которых построены все возможные ребра, называются полными графами . (рис.4 )

Если на ребрах графа нанесены стрелочки, указывающие направление ребер, то такой граф называют направленным .

Стрелка от одной работы к другой на графе, изображенном на рисунке, означает последовательность выполнения работ.

Нельзя начинать монтаж стен, не закончив строить фундамент, чтобы приступить к отделке, нужно иметь на этажах воду и т. д.

Степени вершин и подсчет числа ребер.

Количество рёбер, выходящих из вершины графа, называется степенью вершины. Вершина графа, имеющая нечётную степень, называется нечетной, а чётную степень – чётной.

Если степени всех вершин графа равны, то граф называется однородным . Таким образом, любой полный граф - однородный.

На рисунке 5 изображен граф с пятью вершинами.

Степень вершины А обозначим Ст.А.

На рисунке:
Ст.А = 1, Ст.Б = 2, Ст.В = 3, Ст.Г= 2, Ст.Д= 0.

Сформулируем некоторые закономерности, присущие определенным графам.

Закономерность 1. Степени вершин полного графа одинаковы, и каждая из них на 1 меньше числа вершин этого графа.

Закономерность 2. Сумма степеней вершин графа число четное, равное удвоенному числу ребер графа.

Эта закономерность справедлива не только для полного, но и для любого графа.

Число нечетных вершин любого графа четно .

Заметим, что если полный граф имеет n вершин, то количество ребер будет равно n(n-1)/2.

Граф, не являющийся полным, можно дополнить до полного с теми же вершинами, добавив недостающие ребра. Так, например, на рисунке 3 изображен неполный граф с пятью вершинами. На рисунке 4 ребра превращающие граф в полный граф изображены другим цветом, совокупность вершин графа с этими ребрами называется дополнением графа.

Эйлеровы графы.

Граф, который можно нарисовать, не отрывая карандаша от бумаги, называется эйлеровым . (рис.6)

Такими графы названы в честь учёного Леонарда Эйлера .

Закономерность 3. (вытекает из рассмотренной нами теоремы).
Невозможно начертить граф с нечетным числом нечетных вершин.

Закономерность 4. Если все вершины графа четные, то можно не отрывая карандаш от бумаги («одним росчерком»), проводя по каждому ребру только один раз, начертить этот граф. Движение можно начать с любой вершины и закончить его в той же вершине.

Закономерность 5. Граф, имеющий всего две нечетные вершины, можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, при этом движение нужно начать с одной из этих нечетных вершин и закончить во второй из них.

Закономерность 6. Граф, имеющий более двух нечетных вершин, невозможно начертить «одним росчерком ».

Фигура (граф), которую можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, называется уникурсальной .

Граф называется связным , если любые две его вершины могут быть соединены путем, т. е. последовательностью ребер, каждое следующее из которых начинается в конце предыдущего.

На рисунке 7, очевидно, изображен несвязный граф.

Граф называется несвязным , если это условие не выполняется.

Если, например, на рисунке между вершинами Д и Е провести ребро, то граф станет связным.(рис.8 )

Такое ребро в теории графов (после удаления которого граф из связного превращается в несвязный) называется мостом .

Примерами мостов на рисунке 7 могли бы служить ребра ДЕ, A3, ВЖ и др., каждое из которых соединяло бы вершины «изолированных» частей графа. (рис.8 )

Несвязный граф состоит из нескольких «кусков ». Эти «куски» называются компонентами связности графа. Каждая компонента связности является, конечно, связным графом. Отметим, что связный граф имеет одну компоненту связности.

Граф является эйлеровым тогда и только тогда, когда он связен и имеет не более двух нечетных вершин.

Деревья.

Деревом называется любой связный граф, не имеющий циклов.

Циклом называется путь, в котором совпадают начало с концом.

Если все вершины цикла разные, то такой цикл называется элементарным (или простым) циклом.

Если же цикл включает в себя все ребра графа по одному разу, то такой цикл называется Эйлеровой линией (рис.9а ).

В графе на рис.9б два цикла: 1-2-3-4-1 и 5-6-7-5.

Путем в графе от одной вершины к другой называется такая последовательность ребер, по которой можно проложить маршрут между этими вершинами.

При этом никакое ребро маршрута не должно встречаться более одного раза. Вершина, от которой проложен маршрут, называется началом пути , вершина в конце маршрута - конец пути .

Висячей вершиной называется вершина, из которой выходит ровно одно ребро (рис.10 ).
(кружком обведены висячие вершины).

Для каждой пары вершин дерева существует единственный путь, их соединяющий .

Этим свойством пользуются при нахождении всех предков в генеалогическом дереве, например, по мужской линии, любого человека, чья родословная представлена в виде генеалогического дерева, которое является «деревом » и в смысле теории графов.

Всякое ребро в дереве является мостом.

Действительно, после удаления любого ребра дерева, оно «распадается » на два дерева.

Граф, в котором две любые вершины соединены ровно одним простым путём, является деревом .

(о висячей вершине). В каждом дереве есть висячая вершина.

. В дереве число вершин на одну больше числа ребер.

Изоморфизм. Плоские графы и теорема Эйлера.

Два графа называются изоморфными , если у них поровну вершин, и вершины каждого графа можно занумеровать числами от 1 до n, так, чтобы вершины первого графа были соединены ребром тогда и только тогда, когда соединены ребром соответствующие вершины второго графа.

Докажем, что графы изображенные на рисунке 11 изоморфны.

Пронумеруем вершины первого и второго графов от 1 и до 4 (рис.12 ).

В первом графе соединены вершины 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 2 и 4; заметим, что во втором графе также соединены вершины 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 2 и 4, следовательно, данные графы изоморфны.

Для того, чтобы выяснить, изоморфны ли два графа, нужно убедиться в том, что у них:

одинаковое количество вершин
если вершины одного графа соединены ребром, то и соответствующие им вершины другого графа тоже соединены ребром.

Граф, который можно нарисовать так, чтобы его рёбра не пересекались нигде, кроме вершин, называются плоским или планарным .

Эйлера. Для правильно нарисованного связного плоского графа имеет равенство: V-E+F=2, где V – число вершин, E - число рёбер, F – число кусков.(равенство V -E+F=2 обычно называют формулой Эйлера) .

Граф, каждая вершина которого соединена с ребром любой другой вершины, называется полным .

Понтрягина – Куратовского . Граф является плоским тогда и только тогда, когда он не содержит (в топологическом смысле) графа с шестью вершинами типа «домики-колодцы» и полного графа с пятью вершинами.

(В основном используется в старинных задач о домах и колодцах, суть которой сводится к выяснению вопроса - является ли рассматриваемый граф плоским или нет, рис.13 )

Ориентированные графы.

Существуют значительные классы практических задач, которые решить с помощью ранее рассмотренных типов графов невозможно.

Так, например, схема дорог и площадей города изображается с помощью плоского графа. Но если нужно этой схемой воспользоваться с целью проезда по городу на автомашине, а движение на отдельных (или на всех) улицах одностороннее?

Тогда могут помочь сориентироваться в этой ситуации стрелки, расположенные, например, прямо на ребрах - улицах рассматриваемой схемы (графа) города.

Граф, на рёбрах которого расставлены стрелки, называется ориентированным .

Степенью выхода вершины ориентированного графа называется число ребер, для которых эта вершина является началом (число ребер, «выходящих » из вершины).

Степенью входа вершины ориентированного графа называется число ребер, для которых эта вершина является концом (число ребер, «входящих » в вершину).

Так, на рисунке 15 изображен ориентированный граф АБВГД. Степени входа и выхода некоторых его вершин такие:
Ст.вх.А=2, Ст.вых.А=1 Ст.вх.В=2, Ст.вых.В=0 Ст.вх.Д=1, Ст.вых.Д=3.

Путем, в ориентированном графе от вершины А1 к вершине An называется последовательность ориентированных ребер A1A2, A2A3, ..., Аn-1Аn, в которой конец каждого предыдущего ребра совпадает с началом следующего и каждое ребро встречается в этой последовательности только один раз.

На рисунке.15 показаны примеры путей в ориентированном графе. Причем, первые два пути простые - ни одна из вершин не содержится в нем более одного раза. Третий путь не является простым,т. к. через вершину Г путь «проходил » дважды.

Ориентированным циклом называется замкнутый путь в ориентированном графе.

На рисунке 15 приведены примеры ориентированных циклов в последних двух графах. Цикл, как и любой другой путь в графе, имеет длину, которая определяется числом ребер в этом пути.

Так, на рисунке 16 пути от А к Д могут быть различны и иметь различную длину.
Первый путь имеет длину 2, второй - 3,
а третий - 4.

Длина «кратчайшего пути» между двумя вершинами называется расстоянием между ними. Так расстояние между вершинами А и Д на графе рисунка 16 равно 2; записывают так: S(АД)=2.

Если в ориентированном графе нельзя «пройти» от одной вершины до другой, то расстояние между ними называют бесконечным(обозначают значком бесконечности). Так, расстояние между вершинами Б и Д графа, представленного на рисунке 17 бесконечно: S(БД) = ∞

Ориентированные графы в экономике активно используются в сетевом планировании, в математике - в теории игр, теории множеств; при решении многих задач, в частности, комбинаторных.

ГРАФЫ

Графы возникли в восемнадцатом столетии, когда известный математик, Леонард Эйлер, пытался решить теперь уже классическую задачу о Кенигсбергских мостах. В то время в городе Кенигсберге было два oстровa, соединенных семью мостами с берегами реки Преголь и друг с другом так, как показано на рис. 7.1. 3адача состоит в следующем: осуществить прогулку по городу таким образом, чтобы, пройдя ровно по одному разу по каждому мосту, вернуться в то же место, откуда начиналась прогулка. Решая эту задачу, Эйлер изобразил Кенигсберг в виде графа, отождествив его вершины с частями города, а ребра - с мостами, которыми связаны эти части. Как мы покажем в § 7.1, Эйлеру удалось доказать, что искомого маршрута обхода города не существует.

Рисунок 7.1. Схема старого Кенигсберга

В этой главе мы вводим стандартную терминологию, используемую в теории графов, и разбираем несколько конкретных задач решаемых с помощью графов. В частности, мы познакомимся с классом графов, называемых деревьями. Деревья – естественная модель, представляющая данные, организованные в иерархичную систему. Поиск по дереву для выделения отдельных предметов и сортировка данных в дереве представляет собой важные точки приложения усилий в информатике. В приложении к этой главе мы займемся сортировкой и поиском данных, организованных в деревья.

Графы и терминология

На рис. 7.1 изображены семь мостов Кенигсберга так. как они были расположены в восемнадцатом столетии. В задаче, к которой oбpaтился Эйлер, спрашивается: можно ли найти маршрут прогулки, который проходит ровно один раз по каждому из мостов и начинается и заканчивается в одном и том же месте города?

Модель задачи - это граф, состоящий из множества вершин и множества ребер, соединяющих вершины. Вершины А, В, С и D символизируют берега реки и острова, а ребра а,в , c ,d, f и g обозначают семь мостов (см. рис. 7.2). Искомый маршрут (если он существует) соответствует обходу ребер графа таким образом, что каждое из них проходится только один раз. Проход ребра, очевидно, соответствует пересечению реки по мосту.

Рисунок 7.2. Модель задачи о мостах Кенигсберга

Граф, в котором найдется маршрут, найдется маршрут, начинающийся и заканчивающийся в одной вершине, и проходящий по всем ребрам графа ровно один раз, называется зйлеровым графом. Последовательность вершин (может быть и с повторениями), через которые проходит искомый маршрут, как и сам маршрут, называется эйлеровым циклом . Эйлер заметил, что если в графе есть эйлеров цикл, то для каждого ребра, ведущего в какую-то вершину, должно найтись другое ребро, выходящее из этой вершины 1 , и получил из этого простого наблюдсния такой вывод: если в данном графе существует эйлеров цикл, то к каждой вершине должно подходить четное число ребер.

Кроме того, Эйлеру удалось доказать и противоположное утверждение, так что граф, в котором любая пара вершин связана некоторой последовательностью ребер, является Эйлеровым тогда и только тогда, когда все его вершины имеют четную степень. Степенью вершины v называется число δ(v) ребер, ей инцидентных 2 .

Теперь совершенно очевидно, что в графе, моделирующем задачу о мостах Кенигсберга, эйлерова цикла найти нельзя. Действительно, степени всех его вершин нечетны: δ(B ) = δ(С) = δ(D) = 3 и δ(A ) = 5. С легкой руки Эйлера графы, подобные тому, который мы исследовали при решении задачи о мостах, стали использовать при решении многих практических задач, а их изучение выросло в значительную область математики.

Простой граф определяется как пара G = (V, Е), где V - конечное множество вершин, а Е - конечное множество ребер, причем не может содержать петель (ребер, начинающихся и заканчивающихся в одной вершине) и кратных ребер (кратными называются несколько ребер, соединяющих одну и ту же пару вершин). Граф, изображенный на рис. 7.2. не является простым, поскольку, например, вершины А и В соединяются двумя ребрами (как раз эти ребра и называются кратными).

Две вершины u и v в простом графе называются смежными , если они соединяются каким-то ребром е , про которое говорят, что оно инцидентно вершине u (и v). Таким образом, мы можем представлять себе множество Е ребер как множество пар смежных вершин, определяя тем самым нерефлексивное, симметричное отношение на множестве V. Отсутствие рефлексивности связано с тем, что в простом графе нет петель, т. е. ребер, оба конца которых находятся в одной вершине. Симметричность же отношения вытекает из того факта, что ребро е , соединяющее вершину и с v, соединяет и v с и (иначе говоря, ребра не ориентированы, т. е. не имеют направления). Единственное ребро простого графа, соединяющее пару вершин u и v, мы будем обозначать как иv (или vи).

Логическая матрица отношения на множестве вершин графа, котopoe задается его ребрами, называется ,матрицей смежности. Симметричность отношения в терминах матрицы смежности М означает, что М симметрична относительно главной диагонали. А из-за нерефлексивности этого отношения на главной диагонали матрицы М стоит символ «Л».

Пример 7.1. Нарисуйте граф G(V, Е) с множеством вершин V = {а, Ь, с, d, е} и множеством ребер E = {ab, ae, bc, bd, ce, de}. Выпишите его матрицу смежности.

Решение. Граф G показан на рис. 7.3.

Рисунок 7.3.

Его матрица смежности имеет вид:

Для восстановления графа нам достаточно только тех элементов матрицы смежности, которые стоят над главной диагональю.

Подграфом графа G = (V, E) называется граф G’ = (V’, E’), в котором E’ C E и V’ C V.

Пример 7.2 Найдите среди графиков H, K и L, изображенных на рис. 7.4, подграфы графа G.

Решение. Обозначим вершины графов G, H и K как показано на рис. 7.5. Графы H и K – подграфы в G, как видно из наших обозначений. Граф L не является подграфом в G, поскольку у него есть вершина индекса 4, а у графа G такой нет.

Маршрутом длины k в графе G называется такая последовательность вершин v 0 , v 1 , …, v k , что для каждого i = 1, …, k пара v i – 1 v i образует ребро графа. Мы будем обозначать такой маршрут через v 0 v 1 … v k . Например 1 4 3 2 5 – это маршрут длины 4 в графе G из примера 7.2.

G H

K L

Рисунок 7.4.

Циклом в графе принято называть последовательность вершин v 0 , v 1 , … , v k , каждая пара которых является концами одного ребра, причем v 0 = v 1 , а остальные вершины (и ребра) не повторяются. Иными словами, цикл – это замкнутый маршрут, проходящий через каждую свою вершину и ребро только один раз

1 2 1 2 3

Рисунок 7.5

Пример 7.3. Найдите циклы в графе G из примера 7.2.

Решение. В этом графе есть два разных цикла длины 5:

1 3 2 5 4 1 и 1 2 5 4 3 1

Мы можем пройти эти циклы как в одном направлении так и в другом, начиная с произвольной вершины цикла. Кроме того, в графе есть три разных цикла длины 4:

1 2 5 4 1, 1 2 3 4 1 и 2 5 4 3 2,

и два цикла длины 3:

1 2 3 1 и 1 3 4 1.

Граф, в котором нет циклов, называется ацикличным. Структуры деревьев, которые возникают в вычислениях, представляют собой частный случай ацикличных графов. Позже в этой главе мы ими займемся.

Граф, называют связным, если любую пару его вершин соединяет какой – нибудь маршрут. Любой общий граф можно разбить на подграфы, каждый из которых окажется связным. Минимальное число таких связных компонент называется числом связности графа и обозначается через c (G ) . Вопросы связности имеют важное значение в приложениях теории графов к компьютерным сетям. Следующий алгоритм применяется для определения числа связности графа.

Алгоритм связности.

Пусть G = (V, E) – граф. Алгоритм предназначен для вычисления значения c = c (G ), т.е. числа компонент связности данного графа G.

V’ :=V;

while V’≠ ø do

Выбрать y Є V ’

Найти вершины, соединяющие маршрутом с у;

Удалить вершину у из V ’ и

соответствующие ребра из Е;

c := c +1;

Пример 7.4. Проследите за работой алгоритма связности на графе, изображенном на рис. 7.6.

Рисунок 7.6.

Решение. Смотри табл. 7.1.

Таблица 7.1.


Исходные значения	{1,2,3,4,5,6,7,8}
Выбор у = 1
Выбор у = 2
Выбор у = 7

Итак, c (G ) = 3. Соответствующие компоненты связности приведены на рис. 7.7.

Математика оперирует не содержанием вещей, а их структурой, абстрагируя ее из всего того, что дано как целое. Отвлечение от качеств и свойств предмета позволяет выявить у данного предмета его основу, неотъемлемую часть, то, что поставит его в один ряд с непохожими на него, на первый взгляд, предметами. Теория графов – это раздел математики, поэтому и в ней используется принцип отвлечения: не важно, что представляет собой предмет, важно лишь то, является ли он графом, т. е. обладает ли обязательными для графов свойствами.

Прежде чем перейти к изучению способов представления графа, рассмотрим примеры, дадим определение графу и ознакомимся с основными понятиями теории графов. Здесь не будут рассмотрены все аспекты теории графов (этого и не требуется), но, по большой части, те, что понадобятся нам в дальнейшем.

В своей жизни мы, так или иначе, соприкасались с объектами, имеющими структуру графа. К таким объектам относятся разного рода маршруты общественного транспорта: система метрополитена, автобусные маршруту и т.п. В частности, программисту знакома компьютерная сеть, также являющаяся графом (рис. 3.1). Общее здесь это наличие точек, соединенных линиями. Так в компьютерной сети точками являются отдельные серверы, а линиями – различные виды электрических сигналов. В метрополитене первое – станции, второе – туннели, проложенные между ними. В теории графов точки именуется вершинами, или узлами , а линии – ребрами, или дугами . Таким образом, граф – это совокупность вершин, соединённых ребрами.

Вернемся к компьютерной сети. Она обладает определенной топологией, и может быть условно изображена в виде некоторого числа компьютеров и путей их соединяющих. На рисунке ниже в качестве примера показана полносвязная топология .

Рисунок 3.1 – Компьютерная сеть

Это, по сути, граф. Пять компьютеров являются вершинами, а соединения (пути передачи сигналов) между ними – ребрами. Заменив компьютеры вершинами, мы получим математический объект – граф, который имеет 10 ребер и 5 вершин. Пронумеровать вершины можно произвольным образом, а не обязательно так, как это сделано на рисунке.

Вот некоторые важные обозначения, используемые в теории графов:

· G =(V , E ), здесь G – граф, V – его вершины, а E – ребра;

· |V | – порядок (число вершин);

· |E | – размер графа (число рёбер).

В нашем случае (рис. 1) |V |=5, |E |=10;

Когда из любой вершины доступна любая другая вершина, то такой граф называется неориентированным связным графом (рис. 3.1). Если же граф связный, но это условие не выполняется, тогда такой граф называется ориентированным или орграфом (рис. 3.2). Ребра орграфа принято называть дугами .

В ориентированных и неориентированных графах имеется понятие степени вершины . Степень вершины – это количество ребер, соединяющих ее с другими вершинами. Степень входа вершины – количество входящих в эту вершину ребер, степень выхода – количество исходящих ребер. Сумма всех степеней графа равна удвоенному количеству всех его ребер. Для рисунка 2 сумма всех степеней равна 20.

Рисунок 3.2 – Ориентированный граф

В орграфе, в отличие от неориентированного графа, имеется возможность двигаться из вершины h в вершину s без промежуточных вершин, лишь тогда когда дуга выходит из h и входит в s , но не наоборот.

Ориентированные графы имеют следующую форму записи:

G =(V , A ), где V – вершины, A – направленные ребра.

Третий тип графов – смешанные графы (рис. 3.3). Они имеют как направленные ребра, так и ненаправленные. Формально смешанный граф записывается так: G =(V , E , A ), где каждая из букв в скобках обозначает тоже, что ей приписывалось ранее.

Рисунок 3.3 – Смешанный граф

На рисунке 3 изображен смешанный граф. Одни дуги направленные [(e , a ), (e , c ), (a , b ), (c , a ), (d , b )], другие – ненаправленные [(e , d ), (e , b ), (d , c )…].

Когда у ребра оба конца совпадают, т. е. ребро выходит из некоторой вершины F и входит в нее, то такое ребро называется петлей (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Петли графа

Два или более графов на первый взгляд могут показаться разными по своей структуре, что возникает вследствие различного их изображения. Но это не всегда так. Возьмем два графа (рис. 3.5). Они эквивалентны друг другу, ведь не изменяя структуру одного графа можно построить другой. Такие графы называются изоморфными , т. е. обладающими тем свойством, что какая-либо вершина с определенным числом ребер в одном графе имеет тождественную вершину в другом.

Рисунок 3.5 – Изоморфные графы

Когда каждому ребру графа поставлено в соответствие некоторое значение, называемое весом ребра , тогда такой граф взвешенный. В разных задачах в качестве веса могут выступать различные виды измерений, например длины, цены маршруты и т. п. В графическом представлении графа весовые значения указываются, как правило, рядом с ребрами.

В любом из рассмотренных нами графов имеется возможность выделить путь и, причем не один. Путь – это последовательность вершин, каждая из которых соединена с соседней вершиной посредством ребра. Если первая и последняя вершины совпадают, то такой путь называется циклом . Длина пути определяется количеством составляющих его ребер. Например, на рисунке 4.а путем служит последовательность [(e ), (a ), (b ), (c )]. Этот путь является подграфом, так как к нему применимо определение последнего, а именно: граф G’ =(V’ , E’ ) является подграфом графа G =(V , E ), только тогда когда V’ и E’ принадлежат V , E .

Граф, как и большинство других математических объектов, может быть представлен на компьютере (сохранен в его памяти). Существуют несколько способов его интерпретации, вот наиболее известные из них:

· матрица смежности;

· матрица инцидентности;

· список смежности;

· список ребер.

Использование двух первых методов предполагает хранение графа в виде двумерного массива (матрицы). Причем размеры этих массивов, зависят от количества вершин и/или ребер в конкретном графе. Так размер матрицы смежности n ×n , где n – число вершин, а матрицы инцидентности n ×m , n – число вершин, m – число ребер в графе.

Перед тем как начать изучение непосредственно алгоритмов, необходимо обладать базовыми знаниями касательно самих графов, понимать, как они представляются в компьютере. Здесь не будут подробно описаны все аспекты теории графов (этого и не требуется), но только те, незнание которых заметно усложнит усвоение данной области программирования.

Несколько примеров дадут немного поверхностного представления о графе. Так типичным графом является схема метро или какой-либо другой маршрут. В частности программисту знакома компьютерная сеть, также являющаяся графом. Общее здесь это наличие точек, соединенных линиями. Так в компьютерной сети точки – это отдельные серверы, а линии – различные виды электрических сигналов. В метрополитене первое – станции, второе – туннели, проложенные между ними. В теории графов точки именуется вершинами (узлами ), а линии – ребрами (дугами ). Таким образом, граф – это совокупность вершин, соединённых ребрами.

Математика оперирует не содержанием вещей, а их структурой, абстрагируя ее из всего того, что дано как целое. Пользуясь именно этим приемом, мы можем заключать о каких-либо объектах как о графах. А поскольку теория графов это часть математики, то для нее нет абсолютно никакого значения, что в принципе представляет собой объект; важно лишь то, является ли он графом, т. е. обладает ли обязательными для графов свойствами. Поэтому, прежде чем привести примеры, мы выделяем в рассматриваемом объекте лишь то, что как нам кажется, позволит показать аналогию, отыскиваем общее.

Это по сути граф. Пять компьютеров являются вершинами, а соединения (пути передачи сигналов) между ними – ребрами. Заменив компьютеры вершинами, мы получим математический объект – граф, который имеет 10 ребер и 5 вершин. Пронумеровать вершины можно произвольным образом, а не обязательно так, как это сделано на рисунке. Стоит отметить, что в данном примере не используется ни одной петли, то есть такого ребра, которое выходит из вершины и сразу же входит в нее, но петли могут встречаться в задачах.

Вот некоторые важные обозначения, используемые в теории графов:

G=(V, E), здесь G – граф, V – его вершины, а E – ребра;
|V| – порядок (число вершин);
|E| – размер графа (число рёбер).

В нашем случае (рис. 1) |V|=5, |E|=10;

Когда из любой вершины доступна любая другая вершина, то такой граф называется неориентированным связным графом (рис. 1). Если же граф связный, но это условие не выполняется, тогда такой граф называется ориентированным или орграфом (рис. 2).

В ориентированных и неориентированных графах имеется понятие степени вершины. Степень вершины – это количество ребер, соединяющих ее с другими вершинами. Сумма всех степеней графа равна удвоенному количеству всех его ребер. Для рисунка 2 сумма всех степеней равна 20.

В орграфе, в отличие от неориентированного графа, имеется возможность двигаться из вершины h в вершину s без промежуточных вершин, лишь тогда когда ребро выходит из h и входит в s, но не наоборот.

Ориентированные графы имеют следующую форму записи:

G=(V, A), где V – вершины, A – направленные ребра.

Третий тип графов – смешанные графы (рис. 3). Они имеют как направленные ребра, так и ненаправленные. Формально смешанный граф записывается так: G=(V, E, A), где каждая из букв в скобках обозначает тоже, что ей приписывалось ранее.

В графе на рисунке 3 одни дуги направленные [(e, a), (e, c), (a, b), (c, a), (d, b)], другие – ненаправленные [(e, d), (e, b), (d, c)…].

Они эквивалентны друг другу, ведь не изменяя структуру одного графа можно построить другой. Такие графы называются изоморфными , т. е. обладающими тем свойством, что какая-либо вершина с определенным числом ребер в одном графе имеет тождественную вершину в другом. На рисунке 4 изображены два изоморфных графа.

Когда каждому ребру графа поставлено в соответствие некоторое значение, называемое весом ребра, тогда такой граф взвешенный . В разных задачах в качестве веса могут выступать различные виды измерений, например длины, цены маршруты и т. п. В графическом представлении графа весовые значения указываются, как правило, рядом с ребрами.

В любом из рассмотренных нами графов имеется возможность выделить путь и, причем не один. Путь – это последовательность вершин, каждая из которых соединена с последующей посредством ребра. Если первая и последняя вершины совпадают, то такой путь называется циклом. Длина пути определяется количеством составляющих его ребер. Например, на рисунке 4.а путем служит последовательность [(e), (a), (b), (c)]. Этот путь является подграфом, так как к нему применимо определение последнего, а именно: граф G’=(V’, E’) является подграфом графа G=(V, E), только тогда когда V’ и E’ принадлежат V, E.

Графы в информатике являются способом определения отношений в совокупности элементов. Это основные объекты изучения

Базовые определения

Из чего состоит граф в информатике? Он включает множество объектов, называемых вершинами или узлами, некоторые пары которых связаны т. н. ребрами. Например, граф на рисунке (а) состоит из четырех узлов, обозначенных А, В, С, и D, из которых B соединен с каждой из трех других вершин ребрами, а C и D также соединены. Два узла являются соседними, если они соединены ребром. На рисунке показан типичный способ того, как строить графы по информатике. Круги представляют вершины, а линии, соединяющие каждую их пару, являются ребрами.

Какой граф называется неориентированным в информатике? У него отношения между двумя концами ребра являются симметричными. Ребро просто соединяет их друг с другом. Во многих случаях, однако, необходимо выразить асимметричные отношения - например, то, что A указывает на B, но не наоборот. Этой цели служит определение графа в информатике, по-прежнему состоящего из набора узлов вместе с набором ориентированных ребер. Каждое ориентированное ребро представляет собой связь между вершинами, направление которой имеет значение. Направленные графы изображают так, как показано на рисунке (b), ребра их представлены стрелками. Когда требуется подчеркнуть, что граф ненаправленный, его называют неориентированным.

Модели сетей

Графы в информатике служат сетевых структур. На следующем рисунке представлена структура интернета, тогда носившего название ARPANET, в декабре 1970 года, когда она имела лишь 13 точек. Узлы представляют собой вычислительные центры, а ребра соединяют две вершины с прямой связью между ними. Если не обращать внимания на наложенную карту США, остальная часть изображения является 13-узловым графом, подобным предыдущим. При этом действительное расположение вершин несущественно. Важно, какие узлы соединены друг с другом.

Применение графов в информатике позволяет представить, как вещи либо физически, либо логически связаны между собой в сетевой структуре. 13-узловой ARPANET является примером коммуникационной сети, в которой вершины-компьютеры или другие устройства могут передавать сообщения, а ребра представляют собой прямые линии связи, по которым информация может быть передана.

Маршруты

Хотя графы применяются во многих различных областях, они обладают общими чертами. Теория графов (информатика) включает, возможно, важнейшую из них - идею о том, что вещи часто перемещаются по ребрам, последовательно переходя от узла к узлу, будь то пассажир нескольких авиарейсов или информация, передаваемая от человека к человеку в социальной сети, либо пользователь компьютера, последовательно посещающий ряд веб-страниц, следуя по ссылкам.

Эта идея мотивирует определение маршрута как последовательности вершин, связанных между собой ребрами. Иногда возникает необходимость рассматривать маршрут, содержащий не только узлы, но и последовательность ребер, их соединяющих. Например, последовательность вершин MIT, BBN, RAND, UCLA является маршрутом в графе интернета ARPANET. Прохождение узлов и ребер может быть повторным. Например, SRI, STAN, UCLA, SRI, UTAH, MIT также является маршрутом. Путь, в котором ребра не повторяются, называется цепью. Если же не повторяются узлы, то он носит название простой цепи.

Циклы

Особенно важные виды графов в информатике - это циклы, которые представляют собой кольцевую структуру, такую как последовательность узлов LINC, CASE, CARN, HARV, BBN, MIT, LINC. Маршруты с, по крайней мере, тремя ребрами, у которых первый и последний узел одинаковы, а остальные различны, представляют собой циклические графы в информатике.

SRI, STAN, UCLA, SRI является самым коротким, а SRI, STAN, UCLA, RAND, BBN, UTAH, SRI значительно больше.

Фактически каждое ребро графа ARPANET принадлежит к циклу. Это было сделано намеренно: если какое-либо из них выйдет из строя, останется возможность перехода из одного узла в другой. Циклы в системах коммуникации и транспорта присутствуют для обеспечения избыточности - они предусматривают альтернативные маршруты по другому пути цикла. В социальной сети тоже часто заметны циклы. Когда вы обнаружите, например, что близкий школьный друг кузена вашей жены на самом деле работает с вашим братом, то это является циклом, который состоит из вас, вашей жены, ее двоюродного брата, его школьного друга, его сотрудника (т. е. вашего брата) и, наконец, снова вас.

Связный граф: определение (информатика)

Естественно задаться вопросом, можно ли из каждого узла попасть в любой другой узел. Граф связный, если между каждой парой вершин существует маршрут. Например, сеть ARPANET - связный граф. То же можно сказать и о большинстве коммуникационных и транспортных сетей, так как их цель состоит в том, чтобы направлять трафик от одного узла к другому.

С другой стороны, нет никаких априорных оснований ожидать того, что данные виды графов в информатике широко распространены. Например, в социальной сети несложно представить двух людей, не связанных между собой.

Компоненты

Если графы в информатике не связаны, то они естественным образом распадаются на набор связанных фрагментов, групп узлов, которые являются изолированными и не пересекающимися. Например, на рисунке изображены три таких части: первая - А и В, вторая - C, D и Е, и третья состоит из оставшихся вершин.

Компоненты связности графа представляют собой подмножество узлов, у которых:

каждая вершина подгруппы имеет маршрут к любой другой;
подмножество не является частью некоторого большего набора, в котором каждый узел имеет маршрут к любому другому.

Когда графы в информатике разделяются на их компоненты, то это является лишь начальным способом описания их структуры. В рамках данного компонента может быть богатая внутренняя структура, важная для интерпретации сети. Например, формальным методом определения важности узла является определение того, на сколько частей разделится граф, если узел будет убран.

Максимальная компонента

Существует метод качественной оценки компонентов связности. Например, есть всемирная социальная сеть со связями между двумя людьми, если они являются друзьями.

Связная ли она? Вероятно, нет. Связность - довольно хрупкое свойство, и поведение одного узла (или небольшого их набора) может свести ее на нет. Например, один человек без каких-либо живых друзей будет компонентом, состоящим из единственной вершины, и, следовательно, граф не будет связным. Или отдаленный тропический остров, состоящий из людей, которые не имеют никакого контакта с внешним миром, также будет небольшой компонентой сети, что подтверждает ее несвязность.

Глобальная сеть друзей

Но есть еще кое-что. Например, читатель популярной книги имеет друзей, выросших в других странах, и составляет с ними одну компоненту. Если принять во внимание родителей этих друзей и их друзей, то все эти люди также находятся в той же компоненте, хотя они никогда не слышали о читателе, говорят на другом языке и рядом с ним никогда не были. Таким образом, хотя глобальная сеть дружбы - не связная, читатель будет входить в компонент очень большого размера, проникающий во все части мира, включающий в себя людей из самых разных слоев и, фактически, содержащий значительную часть населения земного шара.

То же имеет место и в сетевых наборах данных - большие, сложные сети часто имеют максимальную компоненту, которая включает значительную часть всех узлов. Более того, когда сеть содержит максимальную компоненту, она почти всегда только одна. Чтобы понять, почему, следует вернуться к примеру с глобальной сетью дружбы и попробовать вообразить наличие двух максимальных компонент, каждая из которых включает миллионы людей. Потребуется наличие единственного ребра от кого-то из первой компоненты ко второй, чтобы две максимальные компоненты слились в одну. Так как ребро единственное, то в большинстве случаев невероятно, чтобы оно не образовалось, и, следовательно, две максимальные компоненты в реальных сетях никогда не наблюдаются.

В некоторых редких случаях, когда две максимальные компоненты сосуществовали в течение длительного время в реальной сети, их объединение было неожиданным, драматическим, и, в конечном итоге, имело катастрофические последствия.

Катастрофа слияния компонент

Например, после прибытия европейских исследователей в цивилизации Западного полушария примерно полтысячелетия назад произошел глобальный катаклизм. С точки зрения сети это выглядело так: пять тысяч лет глобальная социальная сеть, вероятно, состояла из двух гигантских компонент - одной в Северной и Южной Америке, а другой - в Евразии. По этой причине технологии развивалась независимо в двух компонентах, и, что еще хуже, так же развивались и болезни человека и т. д. Когда две компоненты, наконец, вошли в контакт, технологии и заболевания одной быстро и катастрофически переполнили вторую.

Американская средняя школа

Понятие максимальных компонент полезно для рассуждений о сетях и в гораздо меньших размерах. Интересный пример представляет собой граф, иллюстрирующий романтические отношения в американской средней школе за 18-месячный период. Тот факт, что он содержит максимальную компоненту, имеет важное значение, когда речь заходит о распространении заболеваний, передаваемых половым путем, что и являлось целью проведенного исследования. Ученики, возможно, имели лишь одного партнера за этот период времени, но, тем не менее, не осознавая этого, были частью максимальной компоненты и, следовательно, частью многих маршрутов потенциальной передачи. Эти структуры отражают отношения, которые, возможно, давно закончилась, но они связывают индивидуумов в цепях слишком долго, чтобы стать предметом пристального внимания и сплетен. Тем не менее, они реальны: как социальные факты это невидимые, но логически вытекающие макроструктуры, возникшие как продукт индивидуального посредничества.

Расстояние и поиск в ширину

В дополнение к сведениям о том, связаны ли два узла маршрутом, теория графов в информатике позволяет узнать и о его длине - в транспорте, связи или при распространении новостей и заболеваний, а также о том, проходит ли он через несколько вершин или множество.

Для этого следует определить длину маршрута, равную числу шагов, которые он содержит от начала до конца, т. е. число ребер в последовательности, которая его составляет. Например, маршрут MIT, BBN, RAND, UCLA имеет длину 3, а MIT, UTAH - 1. Используя длину пути, можно говорить о том, расположены ли два узла в графе близко друг к другу или далеко: расстояние между двумя вершинами определяется как длина самого короткого пути между ними. Например, расстояние между LINC и SRI равно 3, хотя, чтобы убедиться в этом, следует удостовериться в отсутствии длины, равной 1 или 2, между ними.

Алгоритм поиска в ширину

Для небольших графов расстояние между двумя узлами подсчитать легко. Но для сложных появляется необходимость в систематическом методе определения расстояний.

Самым естественным способом это сделать и, следовательно, наиболее эффективным, является следующий (на примере глобальной сети друзей):

Все друзья объявляются находящимися на расстоянии 1.
Все друзья друзей (не считая уже отмеченных) объявляются находящимися на расстоянии 2.
Все их друзья (опять же, не считая помеченных людей) объявляются удаленными на расстояние 3.

Продолжая таким образом, поиск проводят в последующих слоях, каждый из которых - на единицу дальше предыдущего. Каждый новый слой составляется из узлов, которые еще не участвовали в предыдущих, и которые входят в ребро с вершиной предыдущего слоя.

Эта техника называется поиском в ширину, так как она выполняет поиск по графу наружу от начального узла, в первую очередь охватывая ближайшие. В дополнение к предоставлению способа определения расстояния, она может служить полезной концептуальной основой для организации структуры графа, а также того, как построить граф по информатике, располагая вершины на основании их расстояния от фиксированной начальной точки.

Поиск в ширину может быть применен не только к сети друзей, но и к любому графу.

Мир тесен

Если вернуться к глобальной сети друзей, можно увидеть, что аргумент, объясняющий принадлежность к максимальной компоненте, на самом деле утверждает нечто большее: не только у читателя есть маршруты к друзьям, связывающие его со значительной долей населения земного шара, но эти маршруты на удивление коротки.

Эта идея получила название «феномена тесного мира»: мир кажется маленьким, если думать о том, какой короткий маршрут связывает любых двух людей.

Теория «шести рукопожатий» впервые экспериментально исследовалась Стенли Милгрэмом и его коллегами в 1960-е годы. Не имея какого-либо набора данных социальных сетей и с бюджетом в 680 долларов он решил проверить популярную идею. С этой целью он попросил 296 случайно отобранных инициаторов попробовать отослать письмо биржевому брокеру, который жил в пригороде Бостона. Инициаторам были даны некоторые личные данные о цели (включая адрес и профессию), и они должны были переслать письмо лицу, которого они знали по имени, с теми же инструкциями, чтобы оно достигло цели как можно быстрее. Каждое письмо прошло через руки ряда друзей и образовало цепочку, замыкавшуюся на биржевом брокере за пределами Бостона.

Среди 64 цепочек, достигших цели, средняя длина равнялась шести, что подтвердило число, названное два десятилетия ранее в названии пьесы Джона Гэра.

Несмотря на все недочеты этого исследования, эксперимент продемонстрировал один из важнейших аспектов нашего понимания социальных сетей. В последующие годы из него был сделан более широкий вывод: социальные сети, как правило, имеют очень короткие маршруты между произвольными парами людей. И даже если такие опосредованные связи с руководителями предприятий и политическими лидерами не окупаются на ежедневной основе, существование таких коротких маршрутов играет большую роль в скорости распространения информации, болезней и других видов заражения в обществе, а также в возможностях доступа, которые социальная сеть предоставляет людям с совершенно противоположными качествами.