Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Transkrypt

1 Matematyka dyskretna Andrzej Łachwa, UJ, /15

2 Grafy podstawowe definicje Graf to para G=(V, E), gdzie V to niepusty i skończony zbiór, którego elementy nazywamy wierzchołkami lub węzłami, E to skończony zbiór z powtórzeniami jedno i dwuelementowych podzbiorów V, zwanych krawędziami. Jednoelementowe podzbiory zbioru V nazywamy pętlami, a podzbiory powtarzające się nazywamy krawędziami wielokrotnymi. Graf prosty to graf G=(V, E), w którym E jest zbiorem dwuelementowych podzbiorów V. A zatem graf prosty to graf bez pętli i bez krawędzi wielokrotnych.

3 Krawędź łącząca v z w oznaczana będzie jako vw. Jeśli istnieje krawędź vw to mówimy, że wierzchołki v i w są sąsiadami; oraz że krawędź vw jest incydentna do v oraz incydentna do w. Podobnie dwie krawędzie naywamy sąsiednimi jeżeli mają wspólny wierzchołek. Dla grafu G symbolem V(G) będziemy oznaczać jego zbiór wierzchołków, zaś symbolem E(G) jego zbiór (lub zbiór z powtórzeniami) krawędzi. Czasem, dla odróżnienia grafu od grafu prostego, graf będziemy nazywać też grafem ogólnym. Często spotyka się w literaturze definicję, że stopień wierzchołka v w grafie G to liczba krawędzi incydentnych z v. Definicja powyższa jest poprawna jedynie dla grafów prostych. W grafie ogólnym stopień wierzchołka v trzeba zdefiniować inaczej, a mianowicie, że jest to suma podwojonej liczby pętli {v} i liczby krawędzi {v,w} nie będących pętlami. Stopień wierzchołka v oznaczany jest jako deg(v) lub deg v.

4 Przykład: graf ogólny deg(a)=5 deg(b)=2 deg(c)=3 G = (V, E) V = {a,b,c} E = {{a}, {a,b}, {a,b}, {a,c}, {c}}

5 Twierdzenie Jeśli G=(V, E) jest grafem ogólnym, to Wniosek: liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu jest parzysta. Dowód Każda krawędź, która nie jest pętlą, jest incydentna do dwóch wierzchołków. Zliczając krawędzie incydentne do kolejnych wierzchołków, a następnie sumując te wartości, każda krawędź vw zostanie zliczona dwa razy: raz przy rozpatrywaniu wierzchołka v, a drugi raz przy w. Pętla zawsze liczone są podwójnie. Zatem mamy podwojoną liczbę krawędzi.

6 Dla grafów prostych G=(V, E), G 1 =(V 1, E 1 ), G 2 =(V 2, E 2 ) definiujemy następujące pojęcia: suma grafów, przecięcie grafów, różnica grafów, podgraf grafu G to graf H, w którym i, które nie budzą żadnych wątpliwości interpretacyjnych. W przypadku grafów ogólnych sprawa nie jest już taka prosta. Zbiory E, E 1, E 2 są wówczas zbiorami z powtórzeniami.

7 Skończony zbiór z powtórzeniami X=<x 1, x 1, x 2, x 2, x 3, x 3, x n, x n, > k 1 k 2 k 3 k n to rodzina elementów, w której x 1 powtarza się k 1 razy, x 2 powtarza się k 2 razy, itd. aż do x n które powtarza się k n razy. Zbiór taki zapisujemy również w postaci X = <k 1 *x 1, k 2 *x 2, k 3 *x 3, k n *x n >, a liczby k 1, k 2, k n nazywamy krotnościami. Inny sposób zapisania takiego zbioru to: X = <{x 1, x 2, x 3, x n }, {(x 1, k 1 ), (x 2, k 2 ), (x n, k n )} >. Moc zbioru z powtórzeniami to suma krotności jego elementów. Podzbiór skończonego zbioru z powtórzeniami X = <k 1 *x 1, k 2 *x 2, k n *x n > może być wyznaczony przez wektor (m 1, m 2, m n ), gdzie 0 m 1 k 1, 0 m 2 k 2, 0 m n k n. Liczba podzbiorów skończonego zbioru z powtórzeniami o krotnościach k 1, k 2, k n jest równa (k 1 +1)( k 2 +1) (k n +1).

8 Suma dwóch zbiorów z powtórzeniami jest tworzona przez określenie krotności każdego elementu w sumie jako maksimum krotności tego elementu w składnikach sumy. Odpowiednio dla iloczynu będzie to minimum krotności, a dla różnicy ograniczona (od dołu przez 0) różnica krotności. W przypadku takich zbiorów można również mówić o krotnościowej sumie zbiorów, w której krotność elementu to suma algebraiczna krotności tego elementu w składnikach. Przykład: <a, a, b, c> <a, b, b> = <a, a, a, b, b, b, c>

9 Dla grafów ogólnych G 1 =(V 1, E 1 ), G 2 =(V 2, E 2 ) suma grafów G 1 G 2 = (V 1 V 2, E 1 E 2 ), przy czym druga operacja sumy dotyczy zbiorów z powtórzeniami. Podobnie trzeba zdefiniować iloczyn grafów ogólnych i różnicę grafów ogólnych, a także w miarę potrzeb sumę krotnościową grafów. Podgraf grafu ogólnego G=(V, E) to graf ogólny H, w którym i, ale to drugie zawieranie jest operacją zawierania się zbiorów z powtórzeniami.

10

11 Restrykcja grafu prostego G=(V, E) do podzbioru X V to G X = (X, {{v,w}: v X, w X, {v,w} E}), zwany również podgrafem indukowanym (rozszerzenie na grafy ogólne jest oczywiste). Iloraz grafu prostego G przez relację równoważności na zbiorze jego wierzchołków to graf prosty postaci przy czym (v, w). W tym przypadku rozszerzenie na grafy ogólne nie jest trywialne. Można np. mówić o ilorazie grafu prostego, który to iloraz jest grafem ogólnym, w którym krawędź między klasami abstrakcji jest wielokrotna, a jej krotność wynika z liczby krawędzi między elementami tych klas w grafie prostym.

12 Ściągnięcie zbioru wierzchołków w grafie prostym G=(V, E) to szczególny przypadek ilorazu, w którym klasy równoważności wszystkich wierzchołków spoza X są jednoelementowe, a X stanowi dodatkową klasę, tzn.. W ten sposób zbiór X został ściągnięty do punktu, którego sąsiadami są sąsiedzi jakiegokolwiek wierzchołka z X. Z drugiej strony, jeśli jest relacją równoważności o klasach, to ściągając w grafie G kolejno zbiory otrzymamy graf ilorazowy. Ściągnięcie oznaczamy przez V c X. Dopełnienie grafu prostego G o zbiorze wierzchołków V, to graf prosty G o tym samym zbiorze wierzchołków i w którym dwa wierzchołki są siednie wtw gdy nie są sąsiednie w grafie G.

13 Graf skierowany (lub inaczej digraf) to para D = (V, E), gdzie V jest zbiorem wierzchołków, zaś E jest zbiorem z powtórzeniami krawędzi skierowanych, czyli. Krawędź digrafu przestawiamy graficznie jako strzałkę ukazującą kierunek uporządkowania elementów w parze.

14 Graf szkieletowy digrafu D to graf otrzymany z D poprzez zaniedbanie (usunięcie) kierunku krawędzi, ale nie samych krawędzi. Graf pusty to graf bez krawędzi, zwany często antykliką. Antyklikę o n wierzchołkach oznaczać będziemy przez. Graf pełny to graf, w którym każde dwa wierzchołki połączone są jedną krawędzią. Graf pełny nazywany jest także kliką i oznaczany przez, gdzie n jest liczbą jego wierzchołków. Twierdzenie Liczba krawędzi w klice wynosi.

15 Graf dwudzielny to graf, w którym zbiór V da się podzielić na dwa rozłączne podzbiory V 1 i V 2 tak, by żadne dwa wierzchołki w obrębie tego samego podzbioru nie były sąsiadami. Czasem, dla podkreślenia takiego podziału, graf dwudzielny będziemy oznaczać przez. Zauważmy jednak, że podział taki nie jest jednoznaczny, np. w antyklice dowolny podział zbioru wierzchołków na dwa podzbiory jest podziałem dwudzielnym. Pełny graf dwudzielny to graf dwudzielny, w którym każdy wierzchołek z jest połączony z każdym wierzchołkiem z. Pełny graf dwudzielny oznaczać będziemy przez, gdzie r jest rozmiarem, a s rozmiarem.

16 Przykłady grafów pełnych

17 Przykłady pełnych grafów dwudzielnych

18 Reprezentacje Pierwszą wygodną reprezentacją grafu jest lista list, czyli lista nazw wierzchołków, gdzie po każdej nazwie wierzchołka występuje lista nazw jego wierzchołków sąsiednich. Drugą reprezentacją jest macierz sąsiedztwa. Dla grafu o n wierzchołkach jest to macierz nxn, której wyraz o indeksach i, j jest równy liczbie krawędzi łączących wierzchołek i ty z j tym. Trzecią reprezentacją jest macierz incydencji. Dla grafu o n wierzchołkach i m krawędziach jest to macierz nxm, której wyraz o indeksach i, j jest równy 1 jeżeli wierzchołek i ty jest incydenty z krawędzią j tą, oraz 0 w przeciwnym razie. W przypadku digrafów reprezentacje te są odpowiednio modyfikowane.

19 a b c 1 3 a b c aabbc baa cca 2 5 a b c

20 Graf, w którym każdy wierzchołek ma ten sam stopień nazywamy grafem regularnym. Jeśli każdy wierzchołek ma stopień r, to graf nazywamy regularnym stopnia r. Graf pusty jest grafem regularnym stopnia 0. Grafy regularne stopnia 3 nazywamy grafami kubicznymi. Graf pełny jest grafem regularnym stopnia n 1.

21

22

23 Marszruta (trasa) w grafie G z wierzchołka w do wierzchołka u to skończony ciąg krawędzi w postaci. W skrócie marszrutę taką oznaczamy przez, przy czym strzałki oznaczają tu krawędzie nieskierowane! Wierzchołek w nazywać będziemy początkowym, a u końcowym wierzchołkiem marszruty. Marszruta zamknięta to marszruta kończąca się w punkcie wyjścia, czyli taka, w której. Długość marszruty to liczba jej krawędzi. Uwaga: niektóre wierzchołki, a nawet krawędzie, mogą powtarzać się w marszrucie! Marszruta może być również zdefiniowana w grafach skierowanych. Definiuje się ją analogicznie, uwzględniając jednak kierunek krawędzi. Marszruta, zgodna z kierunkiem krawędzi nazywana jest skierowaną.

24 Marszrutę, w której wszystkie krawędzie są różne nazywa się ścieżką. Droga to ścieżka bez powtarzających się wierzchołków, z wyjątkiem pierwszego i ostatniego, które mogą być równe. Cykl to marszruta zamknięta, w której jedynym powtarzającym się wierzchołkiem jest jej początek (będący oczywiście również jej końcem). A zatem cykl jest ścieżką i drogą. Czasem wygodnie jest traktować marszruty w grafie (a więc w szczególności również drogi, cykle i ścieżki) jako podgrafy

25 Graf spójny to graf, w którym między dwoma dowolnymi wierzchołkami istnieje droga. Graf niespójny to graf, który nie jest spójny. Spójna składowa grafu to maksymalny (w sensie inkluzji) podzbiór, indukujący graf spójny. Dowolny graf G rozpada się na spójne składowe tworzące podział zbioru V. Grafy spójne mają jedynie jedną spójną składową, w przeciwieństwie do grafów niespójnych posiadających ich więcej. Rozkład na spójne składowe wyznacza relację równoważności, dla której graf ilorazowy jest antykliką. Wierzchołek izolowany to wierzchołek nie posiadający sąsiadów. Punkty izolowane tworzą jednoelementowe spójne składowe.

26 Intuicyjnie wydaje się, że graf spójny powinien mieć dostatecznie dużo krawędzi w stosunku do liczby wierzchołków. Okazuje się jednak, że w grafie spójnym liczba krawędzi musi należeć do przedziału [, ]. Rezultat ten można uzyskać z bardziej ogólnego wyniku: Twierdzenie W grafie prostym o k składowych spójnych liczba jego krawędzi spełnia nierówności Ponadto, są to najlepsze możliwe ograniczenia, tzn. istnieje graf prosty o dokładnie k składowych spójnych, w którym, a także istnieje graf prosty o dokładnie k składowych spójnych, w którym.

27

28 Hipergrafy Hipergraf to para H = (V, E), gdzie V jest dowolnym, niepustym zbiorem wierzchołków; E jest podzbiorem zbioru P(V) wszystkich możliwych niepustych zbiorów, których elementy należą do V. Elementy E nazywamy hiperkrawędziami. Macierz incydencji jest jedną z najpopularniejszych i najwygodniejszych metod reprezentacji hipergrafu. W macierzy incydencji wiersze odpowiadają krawędziom, a kolumny wierzchołkom hipergrafu. Jeśli element macierzy jest równy 1, to i ta krawędź jest incydentna do j tego wierzchołka. W przeciwnym przypadku element ten jest równy 0.

29

30

31

32

33 Twierdzenie Dla grafu prostego następujące warunki są równoważne: 1) jest drzewem, 2) nie zawiera cykli i ma krawędzi, 3) jest spójny i ma krawędzi, 4) jest spójny, zaś usunięcie dowolnej krawędzi tworzy dokładnie dwie spójne składowe, 5) dowolne dwa wierzchołki grafu są połączone dokładnie jedną drogą, 6) nie zawiera cykli, lecz dodanie dowolnej nowej krawędzi tworzy dokładnie jeden cykl.

34 Wniosek Każdy las o k składowych spójnych posiada krawędzi.

35 Grafy eulerowskie Cykl Eulera to zamknięta marszruta przechodząca przez każdą krawędź grafu dokładnie raz. Graf eulerowski to graf posiadający cykl Eulera.

36 Twierdzenie Graf jest eulerowski wtedy i tylko wtedy, gdy jest spójny i stopień każdego wierzchołka jest parzysty. Twierdzenie to jest nie tylko ładną charakterystyką grafów eulerowskich, ale umożliwia prostą i szybką weryfikację omawianej własności.

37 Wniosek Graf spójny jest eulerowski wtedy i tylko wtedy, gdy rodzinę jego krawędzi da się podzielić na rozłączne krawędziowo cykle.

38 Grafy jednokreślne Graf jednokreślny (tzn. taki, który można narysować bez odrywania ołówka i rysując każdą krawędź dokładnie raz) to graf posiadający marszrutę przechodzącą dokładnie raz przez każdą krawędź. Wniosek Graf jest jednokreślny wtedy i tylko wtedy, gdy jest spójny i jego wszystkie wierzchołki, poza co najwyżej dwoma, mają parzysty stopień.

39 Grafy hamiltonowskie Inny, ciekawy problem można przedstawić na przykładzie firmy rozwożącej przesyłki. Dotyczy on pracy kuriera mającego rozwieść przesyłki do odbiorców, w ten sposób by odwiedzić każdego klienta jedynie raz, a na końcu wrócić do siedziby firmy. Cykl Hamiltona to marszruta zamknięta odwiedzająca każdy wierzchołek dokładnie raz. Graf hamiltonowski to graf posiadający cykl Hamiltona. Ścieżka Hamiltona to marszruta przechodząca przez wszystkie wierzchołki, każdy odwiedzając jedynie jeden raz.

40

41

42 W odróżnieniu od grafów eulerowskich, grafy hamiltonowskie nie posiadają prostej i szybkiej w użyciu charakteryzacji. Nie znana jest żadna metoda, pozwalająca szybko (tzn. w czasie wielomianowym) stwierdzić czy dany graf jest hamiltonowski. Nie udowodniono również, że nie ma takiego algorytmu. Problem jest więc otwarty! Są natomiast znane pewne warunki wystarczające na to, by graf był hamiltonowski, np. o Graf prosty, w którym każdy wierzchołek ma stopień co najmniej jest hamiltonowski. o Jeśli w grafie prostym o co najmniej 3 wierzchołkach dowolne dwa niesąsiednie wierzchołki v i w spełniają nierówność, to graf jest hamiltonowski.

43

44 Twierdzenie Graf pełny K n jest hamiltonowski dla każdego n>2 i zawiera Hamiltona. n 1! 2 cykli

45 Grafy planarne Graf płaski to para, gdzie: jest jakimś zbiorem punktów płaszczyzny, jest zbiorem nie przecinających się odcinków lub łuków w o końcach w zbiorze. Graf planarny to graf, który jest prezentowalny jako graf płaski. Uwaga: graf płaski jest zbiorem punktów płaszczyzny i zbiorem nie przecinających się odcinków lub łuków łączących te punkty. A zatem jest to RYSUNEK! Natomiast graf planarny to graf, który jest prezentowalny jako graf płaski. Grafy i nie są planarne.

46 Homeomorfizm Graf jest homeomorficzny z grafem, jeśli jeden otrzymamy z drugiego poprzez wykonanie skończenie wielu poniższych operacji: Dodawanie wierzchołków stopnia dwa na krawędzi. Jeśli oraz, to operacja ta zastępuje graf grafem. Usuwanie wierzchołków stopnia dwa. Jeśli ma jedynie dwóch sąsiadów, to operacja ta zastępuje graf grafem.

47 Twierdzenie Kuratowskiego Graf jest planarny wtedy i tylko wtedy, gdy żaden jego podgraf nie jest homeomorficzny z ani z. Inna charakterystyka grafów planarnych odwołuje się do znanego nam już pojęcia ściągalności, lub grafu ilorazowego: Graf jest planarny wtedy i tylko wtedy, gdy nie zawiera podgrafu ściągalnego do lub.

48 Ściany W grafach płaskich poza wierzchołkami oraz krawędziami można rozważać również ściany, czyli obszary płaszczyzny otoczone krawędziami i nie zawierające krawędzi. Formalnie ściana w grafie płaskim to zbiór punktów płaszczyzny, które da się połączyć krzywą nieprzecinającą żadnej krawędzi. Wszystkie grafy płaskie mają dokładnie jedną ścianę nieskończoną. Zauważmy, że las jest grafem planarnym, ale w żadnej reprezentacji płaskiej nie posiada ścian ograniczonych. Tak więc posiada w ogóle tylko jedną ścianę. Twierdzenie W grafie płaskim o ścianach i składowych spójnych zachodzi

49 Kolorowanie grafów Problem kolorowania polega na tym, by przypisać wierzchołkom grafu różne kolory w taki sposób, by każde dwa sąsiednie wierzchołki miały inne kolory. Kolorowanie grafu to funkcja taka, że ilekroć jest krawędzią grafu. Kolorowanie grafu na k kolorów wyznacza rozbicie zbioru na sumę rozłączną jednobarwnych zbiorów, przy czym każdy graf indukowany postaci jest antykliką. Na odwrót, takie rozbicie pozwala na pokolorowanie grafu na k kolorów. Graf k kolorowalny (k barwny) to graf dający się pokolorować k barwami.

50 Liczba chromatyczna grafu, można pokolorować graf., to najmniejsza liczba barw, którymi Optymalne kolorowanie grafu to kolorowanie używające dokładnie kolorów. Oszacowania (G) gdzie jest rozmiarem maksymalnego podgrafu pełnego (kliki) (G) +1 gdzie jest maksymalnym stopniem wierzchołka w G

51 Obserwacja Graf jest dwudzielny wtedy i tylko wtedy, gdy jest kolorowalny. Twierdzenie (1890) Każdy graf planarny jest 5 kolorowalny. Twierdzenie (1976) Każdy graf planarny jest 4 kolorowalny.

52 MAPY Zbiór rozspajający wierzchołki u, v to zbiór krawędzi F E taki, że każda droga z u do v zawiera jakąś krawędź z F. Rozcięcie wierzchołków u, v to zbiór rozspajający wierzchołki u, v, którego żaden podzbiór właściwy nie rozspaja u z v. Zbiór krawędzi F będziemy nazywać rozcięciem, jeśli F jest rozcięciem jakichś dwu wierzchołków u, v. Most to taka krawędź e, że zbiór { e } tworzy rozcięcie. Mapa to graf płaski nie zawierający mostów. Mapa ma k kolorowalne ściany jeśli jej ściany można pokolorować k kolorami w ten sposób, by żadne dwie graniczące ze sobą ściany nie miały tego samego koloru. Innymi słowy, mapa M ma k kolorowalne ściany, jeśli jej geometrycznie dualny graf M* jest k kolorowalny.

53 Dwa twierdzenia o kolorowaniu Mapa M ma 2 kolorowalne ściany wtedy i tylko wtedy, gdy graf M jest eulerowski. Każda mapa ma 4 kolorowalne ściany. Robin J. Wilson: Wprowadzenie do teorii grafów. WN PWN Warszawa 2007 Wykłady z matematyki dyskretnej, 12 15, K. A. Ross, CH. R. b. Wright: Matematyka dyskretna. WN PWN 1999 J. Grygiel: Wprowadzenie do matematyki dyskretnej. AOW EXIT