Teoria grafów

Teoria grafów ma zastosowanie w licznych dziedzinach, mi¦dzy innymi:

• w

informatyce reprezentacja struktur do

przechowywania danych (np.:

drzewa binarne),

reprezentacja algorytmów,

opis topologi sieci

komputerowych, kryptograa

• w transporcie reprezentacja sieci dróg, poª¡cze«

lotniczych, systemy GPS

• w robotyce wyszukiwanie optymalnych tras

dla poruszaj¡cego si¦ robota, reprezentacja drzew decyzyjnych

• w zarz¡dzaniu reprezentacja struktury organizacyjnej przedsi¦biorstwa, optymalizacja zada«

• inne biologia, socjologia, psychologia, . . .

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 1

Grafy

Def. Graf G skªada si¦ z dwóch zbiorów:

• zbioru V = V (G), którego elementami s¡ tzw.

wierzchoªki grafu,

• zbioru E = E(V ), którego elementami s¡ zbiory

zawieraj¡ce dwa ró»ne wierzchoªki, czyli tzw. kraw¦dzie grafu.

Wierzchoªki u, v ∈ V s¡siaduj¡ ze sob¡, je»eli istnieje taka kraw¦d¹ grafu e ∈ E, »e e = {u, v}. W takim przypadku u i v nazywamy ko«cami kraw¦dzi e, lub mówimy, »e e ª¡czy wierzchoªki u i v.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 2

Grafy

Przykªadowy graf, skªadaj¡cy si¦ ze zbiorów:

V = {A, B, C, D, E, F, G}

E = {{A, B} , {B, C} , {C, D} , {D, E} , {E, F } ,

{F, A} , {A, G} , {B, D} , {D, F }}

przedstawiono na poni»szym rysunku

G

A

B

F

C

E

D

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 3

Grafy

Czy poni»szy rysunek przedstawia graf (zgodnie z podan¡

wcze±niej denicj¡)?

e3

e1

A

B

e4

e2

e5

C

D

e6

Odp.: Nie. Powy»szy diagram posiada kraw¦dzie wielo

krotne e5 i e6 oraz p¦tl¦ e3. Diagram taki b¦dziemy nazywali multigrafem.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 4

Rz¡d wierzchoªka

Def. Rz¡d (stopie«) wierzchoªka v w grae G, oznaczany jako deg(v), jest równy liczbie kraw¦dzi, które zawieraj¡ v.

Tw. Suma rz¦du wszystkich wierzchoªków w grae G jest dwa razy wi¦ksza ni» liczba wszystkich kraw¦dzi grafu G.

Przykªad. Dla grafu przedstawionego na rysunku:

G

A

B

F

C

E

D

deg(A) = 3, deg(B) = 3, deg(C) = 2, deg(D) = 4,

deg(E) = 2, deg(F ) = 3, deg(G) = 1, czyli w sumie 18.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 5

Podgrafy

Def.

Rozpatrzmy graf G = G(V, E).

Graf H =

H(V 0, E0) nazywamy podgrafem grafu G, je»eli zbiór wierzchoªków i kraw¦dzi grafu H zawiera si¦ odpowiednio w zbiorze wierzchoªków i kraw¦dzi grafu G, czyli V 0 ⊆ V

i E0 ⊆ E. W szczególno±ci:

• podgraf

H(V 0, E0)

grafu G(V, E) nazywamy

podgrafem wyznaczonym przez wierzchoªki V 0, je»eli zbiór kraw¦dzi E0 zawiera wszystkie kraw¦dzie grafu G, których ko«ce nale»¡ do wierzchoªków grafu H

• je»eli v jest wierzchoªkiem grafu G, to G − v jest podgrafem G otrzymanym poprzez usuni¦cie v z G oraz wszystkich kraw¦dzi w G które zawieraj¡ wierzchoªek v

• je»eli e jest kraw¦dzi¡ grafu, to G − e jest podgrafem G otrzymanym poprzez usuni¦cie e z G

Uwaga. Zgodnie z powy»sz¡ denicj¡, ka»dy graf jest swoim podgrafem.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 6

Grafy izomorczne

Grafy G(V, E) oraz G∗(V ∗, E∗) s¡ izomorczne, je»eli istnieje bijekcja (funkcja ró»nowarto±ciowa i na) f : V → V ∗

taka, »e {u, v} jest kraw¦dzi¡ grafu G wtedy i tylko wtedy, je»eli {f(u), f(v)} jest kraw¦dzi¡ grafu G∗.

Przykªad. Które z poni»szych grafów s¡ izomorczne?

Odp.: {A, R}, {F, T }, {K, X}, {M, S, V, Z}

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 7

Grafy homeomorczne

Dla danego grafu G mo»na otrzyma¢ nowy graf G∗ dziel¡c wybran¡ kraw¦d¹ dodatkowym wierzchoªkiem. Dwa grafy G i G∗ nazywamy homeomorcznymi, je»eli utworzono je z tego samego grafu (lub grafów izomorcznych) za pomoc¡

takiej operacji dzielenia kraw¦dzi.

Przykªad.

Grafy na powy»szym rysunku nie s¡ izomorczne ale s¡

homeomorczne.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 8

Drogi i ±cie»ki w grae

Def. Droga jest to wyznaczona przez kraw¦dzie trasa polegaj¡ca na podró»owaniu od wierzchoªka do wierzchoªka grafu po ª¡cz¡cych je kraw¦dziach.

Drog¦ opisujemy

podaj¡c odpowiedni¡ krotk¦ kraw¦dzi.

Def. ‘cie»ka o pocz¡tku w wierzchoªku v0 i ko«cu w wierzchoªku vn jest to trasa wyznaczona przez wierzchoªki grafu G(V, E), ª¡cz¡ca kolejno wierzchoªki v0 i v1, v1 i v2,

. . . , vn−1 i vn za pomoc¡ odpowiednich kraw¦dzi. ‘cie»k¦

opisujemy podaj¡c odpowiedni¡ krotk¦ wierzchoªków.

Def. Dªugo±¢ drogi/±cie»ki jest równa liczbie kraw¦dzi/

wierzchoªków j¡ tworz¡cych.

Def.

Droga/±cie»ka jest prosta, je»eli wszystkie jej

kraw¦dzie/wierzchoªki s¡ ró»ne.

Def. ‘cie»k¦ nazywamy zamkni¦t¡, je»eli v0 = vn.

Def. Cyklem nazywamy ±cie»k¦ zamkni¦t¡ o dªugo±ci co najmniej 3, dla której wszystkie wierzchoªki s¡ ró»ne z wyj¡tkiem v0 = vn.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 9

‘cie»ki w grae

Przykªad. Dla pokazanego na rysunku grafu i podanych krotek wierzchoªków w poda¢, które z nich s¡ ±cie»kami (S),

±cie»kami prostymi (SP ), ±cie»kami zamkni¦tymi (SZ), cyklami (C)?

v

v

v

1

2

3

v

v

v

4

5

6

α = (v1, v4, v5, v2, v3, v1), β = (v1, v2, v5, v3, v2, v5) γ = (v1, v2, v5, v3, v2, v1), δ = (v4, v1, v5, v2, v3, v6) η = (v1, v5), = (v4, v5, v3, v2, v1, v4)

Odp.: α nie jest S; β jest S, nie jest SP , SZ, C; γ jest S, SZ, nie jest SP , C; δ jest S, SP , nie jest SZ, C; η jest S, SP , nie jest SZ, C; jest C

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 10

Grafy spójne

Def. Graf G nazywamy grafem spójnym, je»eli istnieje

±cie»ka ª¡cz¡ca dowoln¡ par¦ wierzchoªków.

Def. Odlegªo±¢ pomi¦dzy wierzchoªkami u i v w grae spójnym, oznaczana jako d(u, v), to dªugo±¢ najkrótszej

±cie»ki ª¡cz¡cej u i v.

Def. ‘rednica grafu spójnego G, oznaczana jako diam(G), to najwi¦ksza odlegªo±¢ pomi¦dzy dwoma dowolnymi

wierzchoªkami grafu G.

Przykªad.

graf G

graf H

b

e

b

e

d

d

a

g

a

g

c

f

c

f

Graf G jest spójny, diam(G) = 3. Graf H jest niespójny.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 11

Punkty artykulacji i mosty

Def.

Wierzchoªek v grafu spójnego G jest punktem

artykulacji (wierzchoªkiem rozcinaj¡cym), je»eli graf G − v jest grafem niespójnym.

Def. Kraw¦d¹ e grafu spójnego G jest mostem, je»eli graf G − e jest grafem niespójnym.

Przykªad.

graf G

graf H

b

e

b

f

d

d

e

a

g

a

c

f

c

g

Dla grafu G wierzchoªek d jest punktem artykulacji (nie ma innych takich punktów, nie ma równie» mostów).

Dla grafu H kraw¦d¹ {d, e} jest mostem, wierzchoªki d i e s¡ punktami artykulacji.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 12

Graf peªny

Def. Graf G jest peªny, je»eli ka»dy wierzchoªek G

jest poª¡czony bezpo±rednio kraw¦dzi¡ z ka»dym innym wierzchoªkiem. Graf peªny o n wierzchoªkach oznaczmy jako Kn. Oczywi±cie ka»dy graf peªny musi by¢ spójny.

Na rysunku poni»ej przedstawiono grafy K1 − K5

K

K

K

1

2

3

K

K

4

5

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 13

Graf regularny

Def.

Graf G jest regularny stopnia k, je»eli ka»dy

wierzchoªek ma rz¡d k. Zatem graf G jest regularny, je»eli ka»dy wierzchoªek ma ten sam rz¡d.

Przykªad.

st. 0

st. 1

st. 3

st. 2

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 14

Graf dwudzielny

Def. Graf G jest dwudzielny, je»eli zbiór wierzchoªków V mo»na podzieli¢ na dwa podzbiory M i N takie, »e ka»da kraw¦d¹ grafu G ª¡czy wierzchoªek ze zbioru M z wierzchoªkiem ze zbioru N (czyli nie istnieje kraw¦d¹, która ª¡czy wierzchoªki nale»¡ce do tego samego podzbioru).

Def. Graf G jest dwudzielny peªny, je»eli ka»dy wierzchoªek ze zbioru M jest poª¡czony z ka»dym wierzchoªkiem ze zbioru N. Graf taki oznaczamy Km,n, gdzie m jest liczb¡

wierzchoªków w zbiorze M oraz n jest liczb¡ wierzchoªków w zbiorze N.

Przykªady grafów dwudzielnych peªnych.

K

K

K

2,3

3,3

2,4

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 15

Graf planarny

Def.

Graf G nazywamy planarnym, je»eli mo»na go

przedstawi¢ na pªaszczy¹nie tak, »e »adne kraw¦dzie nie przecinaj¡ si¦.

Czy poni»szy graf jest planarny?

Odp. Tak.

Tw.

(Kuratowskiego) Graf jest planarny wtedy i tylko

wtedy, gdy nie zawiera ani podgrafu homeomorcznego do grafu regularnego K5 ani podgrafu homeomorcznego do grafu dwudzielnego K3,3.

Grafy K5 i K3,3 nie s¡ planarne.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 16

Grafy skierowane

Graf skierowany to graf, w którym wszystkie kraw¦dzie maj¡ okre±lony kierunek.

Grafy tego typu cz¦sto stosuje si¦ do opisu ukªadów dynamicznych (np.: automaty Moore'a i Mealy'ego, ukªady dynamiczne z czasem ci¡gªym i integratorami, ukªady dyskretno-czasowe z opó¹nieniami).

Def. Graf skierowany G skªada si¦ z dwóch zbiorów:

• zbioru V = V (G), którego elementami s¡ tzw.

wierzchoªki grafu,

• zbioru E = E(V ), którego elementami s¡ pary

uporz¡dkowane (u, v), które nazywamy kraw¦dziami

grafu.

Zakªadamy, »e kraw¦d¹ e = (u, v) zaczyna si¦ w

wierzchoªku u i ko«czy si¦ w wierzchoªku v. Je»eli u = v to odpowiedni¡ kraw¦d¹ nazywamy p¦tl¡.

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 17

Grafy skierowane

Rozpatrzmy przykªad.

A

B

C

D

Powy»szy graf skªada si¦ z dwóch zbiorów:

• V = {A, B, C, D}

• E = {(A, B) , (B, B) , (B, D) , (C, B) , (C, D) , (D, A) , (D, C)}

Matematyka Dyskretna, Mariusz Dom»alski, Katedra Systemów Decyzyjnych 18