Теория графов дерево лес

Деревья и лес в теории графов

Дерево — это связный ациклический граф .Связность означает наличие путей между любой парой вершин, ацикличность — отсутствие циклов и то, что между парами вершин имеется только по одному пути.

Лес — упорядоченное множество упорядоченных деревьев.

Ориентированное (направленное) дерево — ацикличный орграф ( ориентированный граф , не содержащий циклов), в котором только одна вершина имеет нулевую степень захода (в неё не ведут дуги), а все остальные вершины имеют степень захода 1 (в них ведёт ровно по одной дуге). Вершина с нулевой степенью захода называется корнем дерева, вершины с нулевой степенью исхода (из которых не исходит ни одна дуга) называются концевыми вершинами или листьями.

Содержимое разработки

Определение. Н–граф называется неориентированным деревом (или просто деревом) если он связен и не содержит циклов, а значит петель и кратных ребер. Дерево – это минимальный связный граф в том смысле, что при удалении хотя бы одного ребра он теряет связность. Наличие этих двух свойств (связность и отсутствие циклов) позволяет жестко связать число вершин и число ребер: в дереве с вершинами всегда ребер. Пример графа–дерева приведен на рисунке 3.13. В этом графе 8 вершин и 7 ребер. Ни одно ребро нельзя удалить из графа без того, чтобы он не потерял связность.

Вершина графа называется концевой или висячей, если В графе на рис. 3.13 концевыми являются вершины .

Неориентированный граф–дерево может быть превращен в ориентированный. Ориентация неориентированного дерева проводится следующим образом. В дереве выбирается вершина – так называемый корень дерева , и все ребра такого дерева с корнем ориентируются от этой вершины – корня. Для каждой выбранной вершины ориентация дерева единственна, все ребра ориентированы от корня. Если изменить направления всех ребер ориентированного дерева (к корню) получим ориентированный граф, который иногда называют сетью сборки.

В каждую вершину ориентированного дерева (за исключением корня) входит только одно ребро. Любое дерево можно ориентировать, выбрав в качестве корня любую его вершину.

Пусть – вершина дерева с корнем , – множество всех вершин, связанных с корнем цепями, проходящими через вершину . Это множество порождает подграф , который называется ветвью вершины в дереве с корнем . Например, ветвью вершины на рис. 3.13 является подграф , содержащий вершины и ребра .

Определение. Лес – несвязный н–граф без циклов. Связные компоненты леса являются деревьями. Любая часть леса также является лесом или деревом. В неориентированном дереве между любыми двумя вершинами существует цепь и притом только одна.

Рассмотрим пример использование графа–дерева для решения задачи поиска гамильтоновых путей на взвешенном по ребрам графе, приведенном на рис. 3.14. Веса можно рассматривать как некоторый эквивалент затрат, связанных с переходом по ребру из одной вершины в другую. Будем считать, что коммивояжер отправляется из вершины , с тем, чтобы посетить вершины и вновь вернуться в .

Для решения задачи удобно воспользоваться вспомогательным графом–деревом, который позволяет не только получить все гамильтоновы пути, но и отслеживать вес каждого пути. Методика построения следующая: выделяется исходная вершина и ей присваивается нулевой вес. На вспомогательном графе такая вершина помечается как . Из исходной вершины проводятся ребра во все смежные вершины, по которым маршрут еще не проходил. Новым вершинам присваиваются веса, равный затратам, которые необходимо понести для их достижения из исходной вершины. Для рассматриваемого примера результатом первого шага станут вершины . Далее точно таким же образом производятся шаги из вновь полученных вершин, пока эти пути не приведут в исходную вершину. Часть путей могут быть тупиковыми, так как не позволяют завершить маршрут не заходя дважды в одну и ту же вершину. В данном примере, в частности, последовательность вершин является тупиковой.

Рис. 3.15. Граф–дерево, соответствующий полному перебору вариантов построения гамильтонового цикла в исходном графе рис. 3.14.

Приведенный на рис. 3.15 граф–дерево построен для решения задачи поиска кратчайшего гамильтонового пути с использованием метода полного перебора вариантов.

Проблема, однако, в том, что при большом числе вершин полный перебор вариантов, это работа, требующая огромных вычислений. В частности, для полного графа с вершинами число маршрутов равно . Если 5!=120, то 10!=3 628 800. И все-таки перебор маршрутов иногда бывает полезен. Известен метод решения задачи, в соответствии с которым шаг за шагом строится не полное, а «усеченное» дерево – часть ветвей в процессе его «выращивания» отсекаются, а оставшиеся ветви ведут к решению. Этот метод называется методом ветвей и границ.

Идея метода достаточно очевидна – каким-либо образом выбрать на графе некоторый путь, желательно покороче, а затем отбрасывать все варианты, которые явно длиннее. Простейшим алгоритмом может быть продолжение движения из вершины, имеющей минимальный вес. В рассмотренном примере, после первого шага, движение должно быть продолжено из вершины с наименьшим весом , что приводит в вершины и .

Выигрыш состоит в том, что неподходящие варианты просматриваются не до конца, а лишь до того момента, когда становится ясно, что рассматриваемый вариант хуже имеющегося. Общая полезность такого подхода зависит от степени дифференциации различных маршрутов, и от удачности построения первого маршрута. Ясно также, что в самом плохом случае мы получим полный перебор вариантов.

-80%

Источник

Теория графов – деревья

Деревья – это графики, которые не содержат ни одного цикла. Они представляют иерархическую структуру в графической форме. Деревья относятся к простейшему классу графов. Несмотря на их простоту, они имеют богатую структуру.

Деревья предоставляют целый ряд полезных приложений, от простого семейного дерева до сложных в структурах данных компьютерной науки.

дерево

Связный ациклический граф называется деревом. Другими словами, связный граф без циклов называется деревом.

Края дерева известны как ветви . Элементы деревьев называются их узлами . Узлы без дочерних узлов называются листовыми узлами .

Дерево с ‘n’ вершинами имеет ‘n-1’ ребер. Если у него есть еще одно ребро, превышающее ‘n-1’, то это дополнительное ребро, очевидно, должно соединиться с двумя вершинами, что приводит к образованию цикла. Затем он становится циклическим графом, что является нарушением для графа дерева.

Пример 1

График, показанный здесь, является деревом, потому что у него нет циклов, и он связан. Он имеет четыре вершины и три ребра, т. Е. Для ‘n’ вершин ‘n-1’ ребер, как указано в определении.

Примечание. Каждое дерево имеет как минимум две вершины первой степени.

Пример 2

В приведенном выше примере вершины «a» и «d» имеют степень один. А две другие вершины ‘b’ и ‘c’ имеют второй уровень. Это возможно, потому что для того, чтобы не формировать цикл, в диаграмме должно быть как минимум два отдельных ребра. Это не что иное, как два ребра со степенью один.

лес

Несвязный ациклический граф называется лесом. Другими словами, непересекающаяся коллекция деревьев называется лесом.

пример

Следующий график выглядит как два подграфа; но это один несвязный граф. На этом графике нет циклов. Отсюда ясно, что это лес.

Охватывающие деревья

Пусть G – связный граф, тогда подграф H в G называется остовным деревом в G, если –

Остовное дерево T неориентированного графа G является подграфом, который включает в себя все вершины G.

пример

В приведенном выше примере G является связным графом, а H является подграфом G.

Ясно, что граф H не имеет циклов, это дерево с шестью ребрами, которое на единицу меньше общего числа вершин. Следовательно, H – остовное дерево группы G.

Circuit Rank

Пусть «G» связный граф с «n» вершинами и «m» ребрами. Остовное дерево ‘T’ группы G содержит (n-1) ребер.

Следовательно, количество ребер, которые нужно удалить из ‘G’, чтобы получить остовное дерево = m- (n-1), которое называется рангом схемы G.

Эта формула верна, потому что в остовном дереве вам нужно иметь ребра n-1. Из «m» ребер вам нужно сохранить «n – 1» ребер в графе.

Следовательно, удаление ребер n – 1 из m дает ребра, которые нужно удалить из графа, чтобы получить остовное дерево, которое не должно образовывать цикл.

пример

Посмотрите на следующий график –

Для графика, приведенного в примере выше, у вас есть m = 7 ребер и n = 5 вершин.

пример

Пусть ‘G’ – связный граф с шестью вершинами, а степень каждой вершины равна трем. Найдите звание цепи «G».

По сумме теоремы о степени вершин

Теорема Кирхгофа

Теорема Кирхгофа полезна для нахождения числа связующих деревьев, которые могут быть сформированы из связного графа.

пример

Матрица «А» заполняется так, как если между двумя вершинами есть ребро, то она должна быть задана как «1», иначе «0».

Источник

Теория графов

Следующая теорема устанавливает, что два из четырех свойств – связность, ацикличность, древовидность и субцикличность – характеризуют граф как дерево.

1. Для – графа следующие утверждения эквивалентны:
   1. – дерево;
   2. Любые две несовпадающие вершины графа соединяет единственная простая цепь;
   3. – связный граф, и любое ребро есть мост;
   4. – связный граф и древовидный;
   5. – ациклический граф (лес) и древовидный;
   6. – ациклический граф (лес) и субцикличекий;
   7. – связный, субциклический и неполный, ;
   8. – древовидный и субциклический, исключая и ;

(1->2): Если – дерево, то любые две его несовпадающие вершины соединяет единственная простая цепь. От противного. Пусть существуют две цепи (см. рис.). Тогда — простой цикл. (2->3): Если любые две несовпадающие вершины графа соединяет единственная простая цепь, то – связный граф, и любое ребро есть мост. Имеем: (число компонент связности). Далее от противного. Пусть ребро — не мост. Тогда в концы этого ребра связаны цепью. Само ребро в исходном графе – вторая цепь, что противоречит условию. (3->4): Если – связный граф, и любое ребро есть мост, то – связный и древовидный (). Индукция по (числу вершин). Если , то (число ребер). Пусть равенство выполняется для всех графов с числом вершин меньше . Докажем, что оно выполняется и для вершин. Удалим из ребро , являющееся мостом. Получим две компоненты связности и , для которых верно равенство . Т.е. , . Тогда . (4->5): Если – связный и древовидный (), то – ациклический граф (лес) и древовидный (). От противного. Пусть есть цикл с вершинами и ребрами. Остальные вершин связаны с этим циклом ребрами, т.к. граф связный. Следовательно, , что противоречит условию . Остальное без док-ва.

1. Ориентированные деревья

1. Ориентированным деревом (или ордеревом, или корневым деревом) называется орграф со следующими свойствами:
• существует единственный узел, в который не входит ни один другой узел. Он называется корнем ордерева;
• во все остальные узлы входит только по одному узлу;
• каждый узел достижим из корня.
1. Ордерево обладает следующими свойствами:

1. ; 2. если в ордереве отменить ориентацию ребер, то получится обычное дерево; 3. для каждого узла существует единственный путь, ведущий в этот узел из корня; 4. подграф, определяемый множеством узлов, достижимых из узла , является ордеревом с корнем . Это ордерево называется поддеревом узла .

1. Концевая вершина ордерева называется листом. Путь из корня в лист называется ветвью. Длина наибольшей ветви ордерева называется высотой. Уровень узла ордерева – это расстояние отт корня до узла. Сам корень имеет уровень 0. Узлы одного уровня образуют ярус дерева.

Источник