Практическое применение теории графов. История возникновения теории графов Граф понятие в истории

Основные понятия теории графов.

Примеры использования теории графов.

История возникновения теории графов.

Мы частенько рисуем на листочках бумаги кружочки, квадратики, точки обозначая ими людей, населённые пункты, дела которые мы должны сделать и тому подобное, и соединяем их прямыми и ломаными линями, стрелочками которыми обозначаем связи между ними, отношения, последовательность действий и тому подобное.

Такие схемы встречаются всюду под разными названиями: социограммы (в психологии), симплексы (в топологии), электрические цепи (в физике), диаграммы организации (в экономике), сети коммуникаций, генеалогические деревья и т.д.

Д.Кёниг, предложил называть такие схемы "графами" и систематически изучать их свойства.

В совершенно различных дисциплинах приходится использовать аналогичные теоремы; так, понятие "матрицы инциденций", введенное Кирхгофом для изучения электрических цепей, было привлечено А.Пуанкаре в топологию при создании его "analysis situs"; понятие "точки сочленения", с давних пор известное в социологии, впоследствии появилось в электронике; все примеры такого рода перечислить невозможно. Чтобы можно было применять теорию графов в столь разнообразных областях, она должна быть в высшей степени абстрактной и формализованной.

В действительности такие основные понятия, как "цепь", "путь", "центр", будучи определены абстрактно, остаются в то же время неразрывно связанными с графической реальностью и легко распознаются, когда схема начерчена.

Рассматривая теорию графов, мы не ставим целью дать в руки математическое средство, наша задача сформировать общее представление прежде всего о её прикладных возможностях в теории организации управления.

Теория графов применяется в таких областях, как физика, химия, теория связи, проектирование вычислительных машин, электротехника, машиностроение, архи­тектура, исследование операций, кибернетика, общая теория систем, общая теория организаций, генетика, психология, социоло­гия, экономика, антропология и лингвистика и другие науки.

Эта теория тесно связана также со многими разделами математики, среди которых - теория групп, теория матриц, численный анализ, теория вероят­ностей, топология и комбинаторный анализ.

Теория графов служит математической моделью для всякой системы, содержащей бинарное отношение. Графы действуют притягательно и обладают эстетической привлекательностью благодаря их представлению в виде диаграмм. Хотя в теории графов много результатов, элементарных по своей природе, в ней также громадное изоби­лие весьма тонких комбинаторных проблем.

Теория графов «открывалась» независимо много раз: её с полным основанием можно считать разделом прикладной ма­тематики. В самом деле, наиболее раннее известное упоминание этой теории встречается в работах Эйлера, и хотя проблему, кото­рой он занимался, можно рассматривать как обычную головоломку, псе же она возникла из практики.

Последующие переоткрытия теории графов Кирхгофом и Кэли также уходят своими корнями в реальную действительность. Изу­чение Кирхгофом электрических цепей привело к разработке им основных понятий и получению ряда теорем, касающихся деревьев в графах. В свою очередь Кэли подошел к исследованию деревьев, решая задачи перечисления органических изомеров.

Другой под­ход к графам, связанный с рассмотрением головоломок, был предложен Гамильтоном. После этого появилась знаменитая гипотеза четырёх красок, которая до сих пор пользуется широкой известностью.

В наше столетие также было чрезвычайно много переоткрытий теории графов. Упомянем кратко некоторые из них, придерживаясь хронологического порядка.

Задача о кёнигсбергских мостах

Отцом теории графов (так же как и топологии) является Эйлер (1707-1782), решивший в 1736 г. широко известную в то время задачу, называвшуюся проблемой кёнигсбергских мостов.

В городе Кенигсберге было два острова, соединенных семью мостами с берегами реки Преголя и друг с другом так, как показано на рисунке.

Задача состояла в следующем: найти маршрут прохожде­нии всех четырех частей суши, который начинался бы с любой из них, кончался бы на этой же части и ровно один раз проходил по каждому мосту.

Легко, конечно, попытаться решить эту задачу эмпирически, производя перебор всех маршрутов, но все попытки окончатся неудачей.

Вклад Эйлера в решение этой задачи заключается в том, что он доказал невозможность та­кого маршрута.

Рисунок 1. Парк в городе Кенигсберге, 1736 г.

Рисунок 2. Граф к задаче о кенигсбергских мостах

Для доказательства того, что задача не имеет решения, Эйлер обозначил каждую часть суши точкой (вершиной), а каждый мост - линией (ребром), соединяющей соответ­ствующие точки.

Получился «граф». Этот граф показан на рисунке 2., где точки отмечены теми же буквами, что и четыре части суши.

Утверждение о несуществовании «по­ложительного» решения у этой задачи эквивалентно утверждению о невоз­можности обойти специальным образом граф, представленный на рисунке.

Отправляясь от этого частного слу­чая, Эйлер обобщил постановку задачи и нашел критерий существования обхода (специального мар­шрута) у данного графа, а именно граф должен быть связным и каждая его вершина должна быть инцидентна (принадлежать) четному числу ре­бер.

Граф, показанный на рисунке, связный, но не каждая его вер­шина инцидентна (принадлежит) четному числу ребер.

Электрические цепи

В 1847 г. Кирхгоф разработал теорию деревьев для решения совместной системы линейных алгебраических уравнений, позволя­ющую найти значение силы тока в каждом проводнике (дуге) и в каждом контуре рассматриваемой электрической цепи.

Будучи физиком по образованию, он подходил к решению задач как ма­тематик. Абстрагируясь от электрических схем и цепей, которые содержат сопротивления, конденсаторы, индуктивности и т. д., он рассматривал соответствующие комбинаторные структуры, со­держащие только вершины и связи (ребра или дуги), причем для связей не нужно указывать, каким типам электрических элементов они соответствуют.

Таким образом, в действительности Кирхгоф заменил каждую электрическую цепь соответствующим ей графом и показал, что для решения системы уравнений необязательно рас­сматривать в отдельности каждый цикл графа электрической цепи.

Рисунок 3. Сеть N, соответствующий ей граф G .

Вместо этого он предложил простую, но эффективную методику (ставшую позднее стандартной процедурой), в соответствии с кото­рой достаточно ограничиться только независимыми простыми циклами графа, определяемыми любым из его «остовных деревьев». На рисунке 3 дан пример электрической цепи N, соответствующего ей графа G.

Химические изомеры

Занимаясь чисто практическими задачами органической химии, Кэли в 1857 г. открыл важный класс графов, называемых деревьями.

Он стремился перечислить изомеры предельных (насыщенных) углеводородов С n Н 2 n + 2 с данным числом n атомов углерода; рисунок 4.

Рисунок 4. Изобутан

В социальной психологии.

В 1936 г. психолог Курт Леви н высказал предположение, что «жизненное пространство» индивидуума можно представить с по­мощью планарной карты 1).

На такой карте области представляют различные типы деятельности человека, например, то, что он де­лает на работе, дома, или же его хобби.

Рисунок 5. Карта и соответствующий ей граф.

Подчеркнем, что К.Леви н фактически имел дело с графами, как это видно из рисунка 5.

Эта точка зрения привела психологов На­учно-исследовательского центра групповой динамики к другой пси­хологической интерпретации графа, в которой люди представля­ются вершинами, а их отношения - ребрами. Такими отношениями являются, например, любовь, ненависть, общение, подчинение.

Предположение Левина относится только к планарным картам, поскольку он всегда рисовал свои рисунки на плоскости. В последствии идея К.Левина была развита в социометрических процедурах.

В теории организаций

Графы могут быть представлены не только в строгой классической форме. Так жизненный цикл компании И.Адизеса представлен следующим форме.

Рисунок 6. Жизненный цикл компании

Функциональная организационная структура построена по принципу распределения функций внутри организации и созда­ния сквозных подструктур по управлению функциями.

Производственные подразделения

Рис. Функциональная организационная структура

Таким образом, необходимость специальной общей теории, применимой в любой сфере жизнедеятельности человека была обусловлена потребностями практики.

Такой теорией стала «Теория графов».

Основные понятия теории графов

Начнём с определения, однозначного определения теория графов не имеет, ниже представлены три определения, но существуют и другие.

Теория графов - раздел дискретной математики, исследующий свойства конечных множеств с заданными отношениями между их элементами.

Теория графов - раздел математики, особенность которого - геометрический подход к изучению объектов

Теория графов - математический язык для формализованного определения понятий, связанных с анализом и синтезом структур систем и процессов.

ГРАФЫ

Многие задачи сводятся к рассмотрению совокупности объектов, существенные свойства которых описываются связями между ними. Например, глядя на карту автомобильных дорог, можно интересоваться только тем, имеется ли связь между некоторыми населенными пунктами, отвлекаясь от конфигурации и качества дорог, расстояний и других подробностей. При изучении электрических цепей на первый план может выступать характер соединений различных ее компонентов – резисторов, конденсаторов, источников и т. п. Органические молекулы образуют структуры, характерными свойствами которых являются связи между атомами. Интерес могут представлять различные связи и отношения между людьми, событиями, состояниями и вообще между любыми объектами.

Рассматриваемые объекты в подобных случаях удобно изображать точками, а связи между ними – линиями произвольной конфигурации. Такое формализованное изображение называется графом (от греческогоgrajw – пишу).

Рис. 4.1.

Первая работа по графам была опубликована двадцатилетним Леонардом Эйлером в 1736 г., когда он работал в Российской Академии наук. Она содержала решение задачи о кенигсбергских мостах (рис. 4.1а): можно ли совершить прогулку таким образом, чтобы, выйдя из любого места города, вернуться в него, пройдя в точности один раз по каждому мосту? Ясно, что по условию задачи не имеет значения, как проходит путь по частям суши а, b, с, d, на которых расположен г. Кенигсберг (ныне Калининград), поэтому их можно представить вершинами. А так как связи между этими частями осуществляются только через семь мостов, то каждый из них изображается ребром, соединяющим соответствующие вершины. В результате получаем граф, изображенный на рис. 4.1б. Эйлер дал отрицательный ответ на поставленный вопрос. Более того, он доказал, что подобный маршрут имеется только для такого графа, каждая из вершин которого связана с четным числом ребер.

Следующий импульс теория графов получила почти 100 лет спустя с развитием исследований по электрическим сетям, кристаллографии, органической химии и другим наукам. Наряду с многочисленными головоломками и играми на графах рассматривались важные практические проблемы, многие из которых требовали тонких математических методов. Уже в середине прошлого века Кирхгоф применил графы для анализа электрических цепей, а Кэли исследовал важный класс графов для выявления и перечисления изомеров насыщенных углеводородов. Однако теория графов как математическая дисциплина сформировалась только к середине тридцатых годов прошлого столетия благодаря работам многих исследователей, наибольшая заслуга среди которых принадлежит Д. Кенигу. Значительный вклад в теорию графов внесли советские ученые Л. С. Понтрягин, А. А. Зыков, В. Г. Визинг и др.

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

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

Теория графов располагает мощным аппаратом решения прикладных задач из самых различных областей науки и техники. Сюда относятся, например, анализ и синтез цепей и систем, проектирование каналов связи и исследование процессов передачи информации, построение контактных схем и исследование конечных автоматов, сетевое планирование и управление, исследование операций, выбор оптимальных маршрутов и потоков в сетях, исследование случайных процессов и многие другие задачи. Теория графов тесно связана с такими разделами дискретной математики, как теория множеств, теория матриц, математическая логика и теория вероятностей.

В настоящее время теория графов охватывает большой материал, однако при ее изложении ограничимся только его частью и, опуская многочисленные теоремы, рассмотрим лишь некоторые основные понятия.

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 [см. стр. 41-42]:

"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 ".

(РИСУНОК 1.1)

По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал [см. 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".

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

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.

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.

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.

Теория графов находит применение, например, в геоинформационных системах (ГИС). Существующие или вновь проектируемые дома, сооружения, кварталы и т. п. рассматриваются как вершины, а соединяющие их дороги, инженерные сети, линии электропередачи и т. п. - как рёбра. Применение различных вычислений, производимых на таком графе, позволяет, например, найти кратчайший объездной путь или ближайший продуктовый магазин, спланировать оптимальный маршрут.

Теория графов содержит большое количество нерешённых проблем и пока не доказанных гипотез.

История возникновения теории графов

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. Термин «граф» впервые ввел Сильвестр, Джеймс Джозеф в 1878 году в своей статье в Nature [ ] .

Терминология теории графов

Применение теории графов

См. также

Примечания

Литература

• Дистель Р. Теория графов Пер. с англ. - Новосибирск: Издательство института математики, 2002. - 336 с. ISBN 5-86134-101-X .
• Diestel R. Graph Theory, Electronic Edition . - NY: Springer-Verlag, 2005. - С. 422.
• Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети. М.: Наука, 1974. 368c.
• Белов В. В., Воробьев Е. М., Шаталов В. Е. Теория графов. - М. : Высш. школа, 1976. - С. 392.
• Берж К. Теория графов и её приложения. М.: ИЛ, 1962. 320c.
• Емеличев В. А., Мельников О. И., Сарванов В. И., Тышкевич Р. И. Лекции по теории графов. М.: Наука, 1990. 384с. (Изд.2, испр. М.: УРСС, 2009. 392 с.)