Лекция № 14. Деревья
- Основные определения
Дерево – связный граф без циклов. Лес (или ациклический граф) – неограф без циклов. Компонентами леса являются деревья. Теорема 14.1.Для неографаGсnвершинами без петель следующие условия эквивалентны:
- G– дерево;
- G– связной граф, содержащийn– 1 ребро;
- G– ациклический граф, содержащийn– 1 ребро;
- Любые две несовпадающие вершины графаGсоединяет единственная цепь;
- G– ациклический граф, такой, что если в него добавить одно ребро, то в нем появится ровно один цикл.
Теорема 14.2.НеографGявляется лесом тогда и только тогда, когда коранг графаv(G)=0. Висячая вершина в дереве – вершина степени 1. Висячие вершины называются листьями, все остальные – внутреннимивершинами. Если в дереве особо выделена одна вершина, называемая корнем, то такое дерево называется корневым, иначе – свободным. Корневое дерево можно считать орграфом с ориентацией дуг из корня или в корень. Очевидно, что для любой вершины корневого дерева, кроме корня,
- Центроид дерева
Ветвь к вершине v дерева – это максимальный подграф, содержащий v в качестве висячей вершины. Вес
- Десятичная кодировка
Деревья представляют собой важный вид графов. С помощью деревьев описываются базы данных, деревья моделируют алгоритмы и программы, их используют в электротехнике, химии. Одной из актуальных задач в эпоху компьютерных и телекоммуникационных сетей является задача сжатия информации. Сюда входит и кодировка деревьев. Компактная запись дерева, полностью описывающая его структуру, может существенно упростить как передачу информации о дереве, так и работу с ним. Существует множество способов кодировки деревьев. Рассмотрим одну из простейших кодировок помеченных деревьев с выделенным корнем – десятичную. Кодируя дерево, придерживаемся следующих правил.
- Кодировка начинается с корня и заканчивается в корне.
- Каждый шаг на одну дугу от корня кодируется единицей.
- В узле выбираем направление на вершину с меньшим номером.
- Достигнув листа, идем назад, кодируя каждый шаг нулем.
- При движении назад в узле всегда выбираем направление на непройденную вершину с меньшим номером.
Кодировка в такой форме получается достаточно компактной, однако она не несет в себе информации о номерах вершин дерева. Существуют аналогичные кодировки, где вместо единиц в таком же порядке проставляются номера или названия вершин. Есть деревья, для которых несложно вывести формулу десятичной кодировки. Рассмотрим, например, графы-звезды
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
Источник
8. Остовы и деревья
Понятие дерева широко используется во многих областях математики и информатики. Например, как инструмент при вычислениях, как удобный способ хранения данных, способ сортировки или поиска данных.
Достаточно развитое генеалогическое дерево образует дерево.
Типичное частичное организационное дерево для университета.
Если дерево имеет хотя бы одно ребро, оно имеет две вершины со степенью 1. Вершины со степенью 1 называются листьями. Другие вершины называются внутренними вершинами.
Предположим, что дерево представляет физический объект, подвижный в вершинах, и подвесим дерево за одну из его вершин:
Если подвесить за вершину V3 или V4
Вершина в верхней части называется корнем дерева, если корень определен, то дерево называется корневым. При необходимости корневое дерево Т можно заменить на ориентированное корневое дерево Т’, порожденное корневым деревом Т.
Если корень выбран, уровень вершины V определяется длиной единственного пути из корня в вершину V. Высотой дерева называется длина самого длинного пути от корня дерева до листа.
Если рассматривается корневое ориентированное дерево Т’, порожденное данным корневым деревом Т, тогда вершина u называется родителем вершины v; a v называется сыном вершины u, если существует ориентированное ребро из u в v.
Если u — родитель v и v1, тогда v и v1 называются братьями.
Если существует ориентированный путь из вершины u в вершину v, тогда u называется предком вершины v, a v называется потомком вершины u.
Если наибольшая из степеней выхода для вершин дерева равна m, тогда дерево называется m — арным деревом.
В частном случае, когда m = 2, дерево называется бинарным деревом.
В каждом бинарном дереве каждый сын родителя обозначается либо как левый сын, либо как правый сын (но не то и другое одновременно).
Связный граф G(V,E), не имеющий циклов, называется деревом.
ТЕОРЕМА (основные свойства деревьев):
Пусть граф G(V,E) имеет n вершин. Тогда следующие утверждения эквивалентны:
- G является деревом;
- G не содержит циклов и имеет n-1 рёбер;
- G связен и имеет n-1 рёбер;
- G связен, но удаление » ребра нарушает связность;
- » две вершины графа G соединены ровно одним путём;
- G не имеет циклов, но добавление » ребра порождает ровно один цикл.
Ориентированное дерево представляет собой ориентированный граф без циклов, в котором полустепень захода каждой вершины (за исключением одной, например v1) не больше 1, а полустепень захода вершины v1 (называемой также корнем) равна нулю. Вершину v ордерева называют потомком вершины u, если $ путь из u в v. В этом же случае вершину u называют предком вершины v. Вершину, не имеющую потомков, называют листом.
- Построение минимального остовного дерева (кратчайшей связывающей сети) – соединение всех узлов сети с помощью путей наименьшей длины.
- Задача о нахождении дерева кратчайших расстояний – нахождение кратчайшего пути из одной вершины в любую другую.
- Построение матрицы кратчайших расстояний – нахождение кратчайших путей для любой пары вершин.
Необходимо проложить линии коммуникаций (дороги, линии связи, электропередач и т.п.) между n заданными «точечными» объектами, при условии: во-первых, известны «расстояния» между каждой парой объектов (это может быть геометрическое расстояние или стоимость прокладки коммуникаций между ними), во-вторых, объекты могут быть связаны как непосредственно, так и с участием произвольного количества промежуточных объектов. При допущении, что разветвления возможны только в этих же n объектах, задача сводится к нахождению кратчайшего остовного дерева (SST — shortest spanning tree, или MST — minimal spanning tree) во взвешенном графе, вершины которого соответствуют заданным объектам, а веса ребер равны «расстояниям» между ними. Определение.Весостовного дерева взвешенного графа G равен сумме весов, приписанных ребрам остовного дерева. Будем обозначать (T). Минимальным остовным деревом (МОД) называется такое остовное дерево графа G, что вес T меньше или равен весу любого другого остовного дерева графа G. Вес минимального остовного дерева будем обозначать min(T). Задача 1:найти кратчайшее остовное дерево (минимальный покрывающий остов) взвешенного графа. Пусть дан неориентированный связный граф со взвешенными ребрами. Вес ребра (xi,xj) обозначим cij. Из всех остовов графа необходимо найти один, у которого сумма весов на ребрах наименьшая. Стоимость остовного дерева вычисляется как сумма стоимостей всех рёбер, входящих в это дерево.
Источник