История создания графов сообщение

Обновлено: 01.07.2024

Родоначальником теории графов принято считать математика Леонарда Эйлера (1707-1783). Историю возникновения этой теории можно проследить по переписке великого ученого. Вот перевод латинского текста, который взят из письма Эйлера к итальянскому математику и инженеру Маринони, отправленного из Петербурга 13 марта 1736 года:

По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал:

Так можно ли обойти Кенигсбергские мосты, проходя только один раз через каждый из этих мостов? Чтобы найти ответ, продолжим письмо Эйлера к Маринони:

Обоснование вышеприведенного правила можно найти в письме Л. Эйлера к своему другу Элеру от 3 апреля того же года. Мы перескажем ниже отрывок из этого письма. Математик писал, что переход возможен, если на участке разветвления реки имеется не более двух областей, в которые ведет нечетное число мостов. Для того,чтобы проще представить себе это, будем стирать нарисунке уже пройденные мосты. Легко проверить, что если мы начнем двигаться в соответствии с правилами Эйлера, пересечем один мост и сотрем его, то на рисунке будет изображен участок, где опять имеется не более двух областей,в которые ведет нечетное число мостов, а при наличии областей с нечетным числом мостов мы будем располагаться в одной из них. Продолжая двигаться так далее, пройдем через все мосты по одному разу.

История с мостами города Кенигсберга имеет современное продолжение. Откроем, например, школьный учебник по математике под редакцией Н.Я. Виленкина для шестого класса. В нем на странице 98 в рубрике развития внимательности и сообразительности мы найдем задачу, имеющую непосредственное отношение к той, которую когда-то решал Эйлер.

На озере находится семь островов, которые соединены между собой так, как показано на рисунке 1.2. На какой остров должен доставить путешественников катер, чтобы они могли пройти по каждому мосту и только один раз? Почему нельзя доставить путешественников на остров A?

Решение: Поскольку эта задача подобна задаче о Кенигсбергских мостах,то при ее решении мы также воспользуемся правилом Эйлера. В результате получим следующий ответ: катер должен доставить путешественников на остров E или F, чтобы они смогли пройти по каждому мосту один раз. Из того же правила Эйлера следует невозможность требуемого обхода, если он начнется с острова A.

В заключение отметим, что задача о Кенигсбергских мостах и подобные ей задачи вместе с совокупностью методов их исследования составляют очень важный в практическом отношении раздел математики, называемый теорией графов. Первая работа о графах принадлежала Л. Эйлеру и появилась в 1736 году. В дальнейшем над графами работали Кениг (1774-1833), Гамильтон (1805- 1865), из современных математиков – К. Берж, О. Оре, А. Зыков.

Родоначальником теории графов принято считать математика Леонарда Эйлера (1707-1783, российский математик, швейцарец по происхождению, академик Петербургской и Берлинской академии наук).

Он предложил изящное решение знаменитой задачи о 7 Кенигсбергских мостах в 1736 году, а также придумал общий метод решения подобных задач.

В дальнейшем над графами работали Кениг (1774-1833), Гамильтон (1805-1865), из современных математиков - К. Берж, О. Оре, А. Зыков.

Широкое развитие теория графов получила с 50-х годов 20 века в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной техники.

Графом называется набор точек (эти точки называются вершинами), некоторые из которых объявляются смежными (или соседними). Считается, что смежные вершины соединены между собой ребрами (или дугами).

С помощью графов часто упрощалось решение задач, сформулированных в различных областях знаний: в автоматике, электронике, физике, химии и др.

История графов

Леонард Эйлер (1707-1783) - математик, механик, физик и астроном. Он автор более 850 трудов по механике, теории движения Луны и планет, по географии, по теории кораблестроения, теории музыки и другим наукам

Историю возникновения этой теории можно проследить по переписке великого ученого. Вот перевод латинского текста, который взят из письма Эйлера к итальянскому математику и инженеру Маринони, отправленного из Петербурга 13 марта 1736 года:

"Некогда мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто семь 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 мог 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 же мосты расположены так, что их можно представить на следующем рисунке , на котором A обозначает остров, а B, C и D – части континента, отделенные друг от друга рукавами реки. Семь мостов обозначены буквами a, b, c, d, e, f, g ":

По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал:
"Это решение по своему характеру, по-видимому, имеет мало отношения к математике, и мне непонятно, почему следует скорее от математика ожидать этого решения, нежели от какого-нибудь другого человека, ибо это решение подкрепляется одним только рассуждением, и нет необходимости привлекать для нахождения этого решения какие-либо законы, свойственные математике. Итак, я не знаю, каким образом получается, что вопросы, имеющие совсем мало отношения к математике, скорее разрешается математиками, чем другими".

"Вопрос состоит в том, чтобы определить, можно ли обойти все эти семь мостов, проходя через каждый только однажды, или нельзя. Мое правило приводит к следующему решению этого вопроса. Прежде всего, нужно смотреть, сколько есть участков, разделенных водой, – таких, у которых нет другого перехода с одного на другой, кроме как через мост. В данном примере таких участков четыре – A, B, C, D.
Далее нужно различать, является ли число мостов, ведущих к этим отдельным участкам, четным или нечетным. Так, в нашем случае к участку A ведут пять мостов, а к остальным – по три моста, т. е. Число мостов, ведущих к отдельным участкам, нечетно, а этого одного уже достаточно для решения задачи. Когда это определено, применяем следующее правило: если бы число мостов, ведущих к каждому отдельному участку, было четным, то тогда обход, о котором идет речь, был бы возможен, и в то же время можно было бы начать этот обход с любого участка. Если же из этих чисел два были бы нечетные, ибо только одно быть нечетным не может, то и тогда мог бы совершиться переход, как это предписано, но только начало обхода непременно должно быть взято от одного из тех двух участков, к которым ведет нечетное число мостов. Если бы, наконец, было больше двух участков, к которым ведет нечетное число мостов, то тогда такое движение вообще невозможно… если можно было привести здесь другие, более серьезные задачи, этот метод мог бы принести еще большую пользу и им не следовало бы пренебрегать".

Теория графов — раздел математики и информатики, нашедший широкое применение в современных прикладных задачах. В первую очередь, это задачи поиска маршрута на картах, но её применение не ограничивается навигационными приложениями. Графы возникают там, где между данными существуют какие-либо нелинейные связи. Например, это могут быть компьютеры, соединённые в сеть. Или же это могут быть задачи, которые надо выполнить в каком-то порядке, причём некоторые задачи надо выполнять строго после каких-то других. Существуют алгоритмы, позволяющие вычислить оптимальный порядок выполнения таких задач.

История возникновения теории графов

Леонард Эйлер и задача о Кёнигсберских мостах

Родоначальником теории графов считается Леонард Эйлер. В 1736 году в одном из своих писем он формулирует и предлагает решение задачи о семи кёнигсбергских мостах, ставшей впоследствии одной из классических задач теории графов.

Издавна среди жителей Кёнигсберга (теперь Калининграда) была распространена такая загадка: как пройти по всем мостам, не проходя ни по одному из них дважды? Многие кёнигсбержцы пытались решить эту задачу как теоретически, так и практически, во время прогулок. Но никому это не удавалось, однако не удавалось и доказать, что это даже теоретически невозможно.

В 1736 году задача о семи мостах заинтересовала выдающегося математика, члена Петербургской академии наук Леонарда Эйлера, о чём он написал в письме итальянскому математику и инженеру Мариони от 13 марта 1736 года. В этом письме Эйлер пишет о том, что он смог найти правило, пользуясь которым легко определить, можно ли пройти по всем мостам, не проходя дважды ни по одному из них (в случае семи мостов Кёнигсберга это невозможно).

Для того, чтобы решить эту задачу, Эйлер сделал специальные обозначения. Каждую часть суши (остров или берег реки) он обозначил кружком на бумаге, а затем соединил линиями те кружки, между которыми существуют мосты. Такие обозначения подчеркивают, что в этой задаче фактическое расположение, форма, длина и другие свойства объектов не представляют интереса, важны только связи между ними. Такая картинка на бумаге или на экране компьютера называется графом. Кружки — это его вершины, а линии — рёбра. Размышляя над этой и другими картинками из кружков и линий, Эйлер пришел к следующим выводам о графах:

Число нечётных вершин (вершин, к которым ведёт нечётное число рёбер) графа должно всегда быть чётно. То есть, просто не может существовать графа, который имел бы нечётное число нечётных вершин.
Если все вершины графа чётные, то его можно начертить не отрывая карандаша от бумаги, при этом начинать можно с любой вершины графа и завершить его в ней же.
Граф с более чем двумя нечётными вершинами невозможно начертить одним росчерком.

Граф кёнигсбергских мостов имел четыре нечётные вершины (т.е. все), следовательно, невозможно пройти по всем мостам, не проходя ни по одному из них дважды.

Проблема четырёх красок

Проблема четырёх красок — математическая задача, предложенная Гутри в 1852 году.

Выяснить, можно ли всякую расположенную на сфере карту раскрасить четырьмя красками так, чтобы любые две области, имеющие общий участок границы, были раскрашены в разные цвета.

Иначе говоря, показать что хроматическое число плоского графа не превосходит 4.

О доказательстве

К. Аппель и В. Хакен доказали в 1976 г., что так можно раскрасить любую карту. Это была первая крупная математическая теорема, для доказательства которой был применён компьютер. Несмотря на последующие упрощения, доказательство практически невозможно проверить, не используя компьютер. Поэтому некоторые математики отнеслись к этому доказательству с недоверием, что объяснялось не только использованием компьютера, но и громоздкостью описания алгоритма первых доказательств (741 страница), впоследствии были предложены более компактные алгоритмы и скорректирован ряд ошибок. Проблема четырех красок является одним из известнейших прецедентов неклассического доказательства в современной математике.

Определения теории графов

Граф — конечное множество вершин, природа которых не важна, и конечно множество рёбер, соединяющих между собой какие-либо вершины.

Графы могут быть ориентированными и неориентированными. Если в рамках задачи по рёбрам можно перемещаться в обоих направлениях, то граф называется неориентированным. Если же по каждому ребру можно пройти только в одну сторону, то граф ориентированный. В таком случае рёбра обычно обозначаются стрелками, а не просто линиями.

Пример ориентированного графа

Иногда бывает полезно связать с ребрами графа какие-то числа. Это могут быть длины дорог или плата за проезд, если граф моделирует карту какой-то местности. В таком случае граф называется взвешенным, а сами числа — весами.

Пример: граф с шестью вершинами и семью рёбрами

Граф, в котором каждая пара вершин соединена ребром, называется полным. Обозначение: K_n – граф, состоящий из n вершин и ребер, соединяющих всевозможные пары этих вершин. Такой граф можно представить как n–угольник, в котором проведены все диагонали.

Ниже приведены полные графы с числом вершин от 1 до 8 и количества их рёбер.

K₁ : 0	K₂ : 1	K₃ : 3	K₄ : 6

K₅ : 10	K₆ : 15	K₇ : 21	K₈ : 28

Степенью вершины называется число ребер, которым принадлежит вершина (число рёбер с концом в данной вершине).

Дополнением данного графа называется граф, состоящий из всех ребер и их концов, которые необходимо добавить к исходному графу, чтобы получить полный граф.

Граф, который можно представить на плоскости в таком виде, когда его ребра пересекаются только в вершинах, называется плоским.

Многоугольник плоского графа, не содержащий внутри себя никаких вершин или ребер графа, называют его гранью.

Путем от вершины A до вершины X называется последовательность ребер, ведущая от A к X, такая, что каждые два соседних ребра имеют общую вершину, и никакое ребро не встречается более одного раза.

Простым циклом называется цикл, не проходящий ни через одну из вершин графа более одного раза.

Длиной пути, проложенного на цикле, называется число ребер этого пути.

Две вершины A и B в графе называются связными (несвязными), если в нем существует (не существует) путь, ведущий из A в B.

Граф называется связным, если каждые две его вершины связны; если же в графе найдется хотя бы одна пара несвязных вершин, то граф называется несвязным.

Специальным типом графов является дерево. В дереве выделяется особая вершина — корень, которая соединена рёбрами с другими вершинами — своими потомками, которые в свою очередь могут иметь своих потомков. Вершина, не имеющая потомков, называется листом. Наглядный пример дерева — иерархия файлов и папок в файловой системе компьютера или систематика живых организмов

Если не выделять особым образом корень, то дерево — это просто любой связный граф, не имеющий циклов

Представление графов в памяти

Чтобы решать задачи, связанные с графами, нужно сначала научиться сохранять его в памяти, а ещё лучше — сохранять оптимально. Существует несколько способов сделать это, и для каждой конкретной задачи оптимальным будет свой способ.

Матрица смежности

Самый простой способ сохранить граф в памяти — матрица смежности. Нарисуем таблицу, которая чем-то напоминает таблицу умножения: в первой строчке и в первом столбце будут стоять номера (или любые названия) вершин, а на пересечении столбца и строки будем ставить, например, 1 если между этими вершинами есть ребро и 0 если нет. Кроме 1 и 0 можно ставить, например, вес ребра, а для обозначения отсутствия ребра — просто очень большое число. Какой именно вариант использовать, зависит от каждой конкретной задачи. Также задача определяет, что ставить на диагонали получившейся матрицы.

$\begin</p> <p> 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1\\ 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0\\ \end$

Граф и его матрица смежности.

В первой строке входного файла заданы числа $N$ и $M$ через пробел — количество вершин и рёбер в графе, соответственно ($1 \le N \le 100$, $0 \le M \le 10 000$). Следующие $M$ строк содержат по два числа $u_i$ и $v_i$ через пробел ($1 \le u_i, v_i \le N$); каждая строка означает, что в графе существует ребро между вершинами $u_i$ и $v_i$. Рёбра нумеруются в том порядке, в котором они даны во входном файле, начиная с единицы.

Напишем функцию, считывающую граф как матрицу смежности:

Список смежности

Этот способ тоже простой, но он значительно оптимальнее матрицы смежности во многих случаях. Для того, чтобы сохранить в памяти граф, заведём для каждой вершины свой список (для удобства все списки можно хранить в одном массиве), и в эти списки занесём номера вершин, в которые ведут рёбра из данной.

Посмотрим, как это пишется на Python с тем же форматом входных данных:

Другие способы

Существуют и другие способы хранения графа в памяти, например, матрица инцидентости, которая удобна при использовании методов линейной алгебры в задачах на графах, или списки рёбер, но практическое применение в задачах обычно находят описанные выше два способа.

Основные задачи теории графов

Обходы графа

Часто требуется обойти все вершины графа в определённом порядке, например, для проверки его на связность или упорядочения задач при планировании (топологическая сортировка графа). Существует два стандартных метода обхода графа — обход в глубину и обход в ширину.

Обход в глубину (DFS)

Обход в глубину можно описать так: представьте, что вы в лабиринте. Идите всегда прямо, а на всех развилках выбирайте самый левый путь. Упёршись в тупик, возвращайтесь обратно до последней развилки и выбирайте следующий путь слева. Продолжайте, пока не обойдёте весь лабиринт.

Обычно алгоритм DFS реализуется с помощью списков смежности и рекурсии. Требуется лишь создать функцию dfs(v) , которая будет просматривать всех соседей вершины v и запускать себя для каждого из них. Единственное, что требуется, кроме этого — список уже посещённых вершин, иначе функция может войти в бесконечный цикл.

Напишем функцию dfs на языке Python с использованием списков смежности:

Теперь достаточно запустить обход из стартовой вершины. Например, так: dfs(0) .

Обход в ширину (BFS)

Обход в ширину можно наглядно представить себе так: в какой-то стартовой точке лабиринта разливается жидкость, и она начинает равномерно заполнять все его помещения, продвигаясь все дальше. При этом в каждый момент времени все точки края разливающейся воды находятся на одном расстоянии от начала.

Его реализация немного сложнее, чем DFS. Для этого нам понадобится такая структура данных, как очередь. Очередь, как видно из названия, моделирует обычную очередь в магазине. Обычно это список, в которой можно класть элементы с одной стороны, а забирать — с другой. Обход в ширину хранит в очереди вершины, которые еще предстоит просмотреть.

Поиск кратчайших путей

Очень часто требуется найти кратчайший путь между двумя вершинами во взвешенном графе. Очевидный пример — прокладка маршрута по карте. Для решения этой задачи существует большое количество алгоритмов, в числе которых алгоритм Флойда и алгоритм Дейкстры. Алгоритм Флойда является самым простым, но очень неоптимальным — его сложность $O(n^3)$. Алгоритм Дейкстры быстрее ($O(n^2)$ или $O(n \log n)$, в зависимости от реализации), но имеет некоторые ограничения.

Алгоритм устроен так: для каждой вершины графа, пусть её номер будет $k$, просматриваются все пары вершин, пусть это $i$ и $j$. Если сумма текущей известной длины пути из $i$ в $k$ и из $k$ в $j$ меньше, чем из $i$ в $j$, то в клетке, соответствующей пути из $i$ в $j$, запоминаем длину пути через $k$, иначе ничего делать не требуется. Таким образом, алгоритм содержит три вложенных цикла, поэтому его сложность — $O(n^3)$.

Посмотрим, как реализовать этот алгоритм на Python:

Этот алгоритм легко дорабатывается для случая, когда надо получить не только длины кратчайших путей, но и сами пути. Такую модификацию стоит проделать самостоятельно.

Алгоритм Дейкстры будет рассматриваться на зимней очной сессии.

Другие задачи

Другими классическими задачами теории графов являются, например, задача топологической сортировки и задача поиска наименьшего остовного дерева. Алгоритмы для решения этих задач также будут рассматриваться на зимней очной сессии.

"Некогда мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто семь 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 мог 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 же мосты расположены так, что их можно представить на следующем рисунке [рис.1], на котором A обозначает остров, а B,CиD – части континента, отделенные друг от друга рукавами реки. Семь мостов обозначены буквами a, b, c, d, e, f, g ".

По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал [см. [5]стр. 102-104]:

"Это решение по своему характеру, по-видимому, имеет мало отношения к математике, и мне непонятно, почему следует скорее от математика ожидать этого решения, нежели от какого-нибудь другого человека, ибо это решение подкрепляется одним только рассуждением, и нет необходимости привлекать для нахождения этого решения какие-либо законы, свойственные математике. Итак, я не знаю, каким образом получается, что вопросы, имеющие совсем мало отношения к математике, скорее разрешается математиками, чем другими".

0"Вопрос состоит в том, чтобы определить, можно ли обойти все эти семь мостов, проходя через каждый только однажды, или нельзя. Мое правило приводит к следующему решению этого вопроса. Прежде всего, нужно смотреть, сколько есть участков, разделенных водой, – таких, у которых нет другого перехода с одного на другой, кроме как через мост. В данном примере таких участков четыре – A, B, C, D. Далее нужно различать, является ли число мостов, ведущих к этим отдельным участкам, четным или нечетным. Так, в нашем случае к участку A ведут пять мостов, а к остальным – по три моста, т. е. Число мостов, ведущих к отдельным участкам, нечетно, а этого одного уже достаточно для решения задачи. Когда это определено, применяем следующее правило: если бы число мостов, ведущих к каждому отдельному участку, было четным, то тогда обход, о котором идет речь, был бы возможен, и в то же время можно было бы начать этот обход с любого участка. Если же из этих чисел два были бы нечетные, ибо только одно быть нечетным не может, то и тогда мог бы совершиться переход, как это предписано, но только начало обхода непременно должно быть взято от одного из тех двух участков, к которым ведет нечетное число мостов. Если бы, наконец, было больше двух участков, к которым ведет нечетное число мостов, то тогда такое движение вообще невозможно… если можно было привести здесь другие, более серьезные задачи, этот метод мог бы принести еще большую пользу и им не следовало бы пренебрегать".

Обоснование вышеприведенного правила можно найти в письме Л. Эйлера к своему другу Элеру от 3 апреля того же года. Мы перескажем ниже отрывок из этого письма.

Математик писал, что переход возможен, если на участке разветвления реки имеется не более двух областей, в которые ведет нечетное число мостов. Для того, чтобы проще представить себе это, будем стирать на рисунке уже пройденные мосты. Легко проверить, что если мы начнем двигаться в соответствии с правилами Эйлера, пересечем один мост и сотрем его, то на рисунке будет изображен участок, где опять имеется не более двух областей, в которые ведет нечетное число мостов, а при наличии областей с нечетным числом мостов мы будем располагаться в одной из них. Продолжая двигаться так далее, пройдем через все мосты по одному разу.

Задача № 569. На озере находится семь островов, которые соединены между собой так, как показано на рисунке 1.2. На какой остров должен доставить путешественников катер, чтобы они могли пройти по каждому мосту и только один раз? Почему нельзя доставить путешественников на остров A?

Решение.Поскольку эта задача подобна задаче о Кенигсбергских мостах, то при ее решении мы также воспользуемся правилом Эйлера. В результате получим следующий ответ: катер должен доставить путешественников на остров E или F, чтобы они смогли пройти по каждому мосту один раз. Из того же правила Эйлера следует невозможность требуемого обхода, если он начнется с острова A.

В заключение отметим, что задача о Кенигсбергских мостах и подобные ей задачи вместе с совокупностью методов их исследования составляют очень важный в практическом отношении раздел математики, называемый теорией графов. Первая работа о графах принадлежала Л. Эйлеру и появилась в 1736 году. В дальнейшем над графами работали Кениг (1774-1833), Гамильтон (1805-1865), из современных математиков – К. Берж, О. Оре, А. Зыков.

Читайте также: