Графы
Реферат по
математике ученика 8 г класса Коротаева Дмитрия
Муниципальное
образовательной учреждение – МОУ Гимназия №47
Екатеринбург,
2000
Введение
Слово «граф» в
математике означает картинку, где нарисовано несколько точек, некоторые из
которых соединены линиями. Графами являются блок – схемы программ для ЭВМ,
сетевые графики строительства, где вершины – события, означающие окончания
работ на некотором участке, а ребра, связывающие эти вершины, - работы, которые
возможно начать по совершении одного события и необходимо выполнить для
совершения следующего.
Теория графов
является частью как топологии, так и комбинаторики. То, что это топологическая
теория, следует из независимости свойств графа от расположения вершин и вида
соединяющих их линий. А удобство формулировок комбинаторных задач в терминах
графов привела к тому, что теория графов стала одним из мощнейших аппаратов
комбинаторики.
Понятие о
графах
Математические
графы с дворянским титулом «граф» связывает общее происхождение от латинского
слова «графио» - пишу. Типичными графами являются схемы авиалиний, которые
часто вывешивается в аэропортах, схемы метро, а на географических картах –
изображение железных дорог (рис. 1). Выбранные точки графа называются его
вершинами, а соединяющие их линии – ребрами.
Использует
графы и дворянство. На рисунке 2 приведена часть генеалогического дерева
знаменитого дворянского рода. Здесь его вершины – члены этого рода, а
связывающие их отрезки – отношения родственности, ведущие от родителей к детям.
Слово «дерево»
в теории графов означает граф, в котором нет циклов, то есть в котором нельзя
из некоторой вершины пройти по нескольким различным ребрам и вернуться в ту же
вершину. Генеалогическое дерево будет деревом и в смысле теории графов, если в
этом семействе не было браков между родственниками.
Не трудно
понять, что граф – дерево всегда можно изобразить так, чтобы его ребра не
пересекались. Тем же свойством обладают графы, образованные вершинами и ребрами
выпуклых многогранников. На рисунке 3 приведены графы, соответствующие пяти
правильным многогранникам. В графе соответствующем тетраэдру, все четыре вершины
попарно соединены ребрами.
Рассмотрим граф
с пятью вершинами, попарно соединенными друг с другом (рис. 4). Здесь ребра
графа пересекаются. Невозможно его изобразить так, чтобы пересечений не было,
как невозможно выполнить намерения трех человек, описанных Льюсом Кэрроллом.
Они жили в трех
домиках, неподалеку от них находились три колодца: один с водой, другой с
маслом, а третий с повидлом, и ходили к ним по тропинкам, изображенным на
рисунке 5. Однажды эти люди перессорились и решили провести тропинки от своих
домов к колодцам так, чтобы эти тропинки не пересекались. На рисунке 6
изображена очередная попытка проложить такие тропы.
Графы,
изображенные на рисунках 4 и 5, как оказалось, играют решающую роль при
определение для каждого графа – является ли он плоским, то есть может ли он
быть изображен на плоскости без пересечения его ребер. Польский математик Г.
Куратовский и академик Л. С. Понтрягин независимо доказали, что если граф не
является плоским, то в нем «сидит» хотя бы один из графов, изображенных на
рисунках 4 и 5, то есть «полный пятивершинник» или граф «домики – колодцы».
Графами
являются блок – схемы программ для ЭВМ, сетевые графики строительства, где
вершины – события, означающие окончания работ на некотором участке, а ребра,
связывающие эти вершины, - работы, которые возможно начать по совершении одного
события и необходимо выполнить для совершения следующего.
Если на ребрах
графа нанесены стрелочки, указывающие направление ребер, то такой граф называют
направленным.
Стрелка от одой
работы к другой на графе, изображенном на рис. 7, означает последовательность
выполнения работ. Нельзя начинать монтаж стен, не закончив строить фундамент,
чтобы приступить к отделке, нужно иметь на этажах воду и т. д.
Около вершин
графа указаны числа – продолжительность в днях соответствующей работы . Теперь
мы можем узнать наименьшую возможную продолжительность строительства. Для этого
из всех путей по графу в направлении стрелок нужно выбрать путь, у которого
сумма чисел при вершинах наибольшая. Он называется критическим путем (на рис. 2
он выделен коричневым цветом). В нашем случае получаем 170 дней. А если
сократить время прокладки электросети с 40 до 10 дней, то и время строительства
тоже сократится на 30 дней? Нет, в этом случае критический путь станет
проходить не через эту вершину, а через вершины, соответствующие строительству
котлована, укладке фундамента и т. д. И общее время строительства составит 160
дней, т. е. срок сократиться лишь на 10 дней.
На рис.8
изображена схема дорог между селами М, А, Б, В, Г.
Здесь каждые
две вершины соединены между собой ребром. Такой граф называется полным. Числа
на рисунке указывают расстояния между селами по этим дорогам. Пусть в селе М
находится почта и почтальон должен развезти письма по остальным четырем селам.
Существует много различных маршрутов поездки. Как из них выбрать наикратчайший?
Проще всего проанализировать все варианты. Сделать это поможет новый
граф(внизу), на котором легко увидеть возможные маршруты. Вершина М вверху –
начало маршрутов. Из нее можно начать движение четырьмя различными способами:
вА, в Б, в В, в Г. После посещения одного из сел остается три возможности
продолжения маршрута, потом две, потом дорога в последнее село и вновь в М.
Всего 4 3 2 1 = 24 способа.
Расставим вдоль
ребер графа цифры, обозначающие расстояния между селами, а в конце каждого
маршрута напишем сумму этих расстояний по маршруту. Из полученных 24 чисел
наименьшими являются два числа по 28км, соответствующие маршрутам М-В-Б-А-Г-М и
М-Г-А-Б-В-М. Это один и тот же путь, но пройденный в разных направлениях
Заметим, что граф на рис. 8 тоже можно сделать направленным, указав направление
сверху вниз на каждом из ребер, что соответствовало бы направлению движения
почтальона. Подобные задачи часто возникают при нахождении лучших вариантов
развозки товаров по магазинам, стройматериалов по стройкам.
Графы часто
используют для решения логических проблем, связанных с перебором вариантов. Для
примера рассмотрим такую задачу. В ведре 8 л воды, и имеется две кастрюли
емкостью 5 и 3 л. требуется отлить в пятилитровую кастрюлю 4 л воды и оставить
в ведре 4 л, т. е. разлить воду поровну в ведро и большую кастрюлю.
Ситуацию в
каждый момент можно описать тремя числами, где А-количество литров воды в
ведре, Б- в большой кастрюле, В - в меньшей. В начальный момент ситуация
описывалась тройкой чисел ( 8, 0, 0), от нее мы можем перейти в одну из двух
ситуаций: ( 3, 5, 0),если наполним водой большую кастрюлю, или ( 5, 0, 3), если
наполним меньшую кастрюлю.
В результате
получаем два решения: одно в 7 ходов, другое в 8 ходов.
Подобным
образом можно ставить граф любой позиционной игры: шахмат, шашек, «крестиков –
ноликов», где позиции станут вершинами, а направленные отрезки между ними будут
означать, что одним ходом можно перейти от одной позиции к другой, по
направлению стрелки.
Однако для
шахмат и шашек такой граф будит очень большим, поскольку различные позиции в
этих играх исчисляются миллионами. А вот для игры «крестики – нолики» на доске
3 * 3 соответствующий граф нарисовать не так уж трудно, хотя и он будет
содержать несколько десятков ( но не миллионов) вершин.
Свойство графов
не зависят от того, соединены вершины отрезками или кривыми линиями, что дает
возможность изучения их свойств с помощью одной из молодых наук – топологии.
Впервые основы
теории графов появились в работе Л. Эйлера, где он описывал решение головоломок
и математических развлекательных задач. Широкое развитие теория графов получила
с 50-х гг. 20 в. в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной
техники.
В терминах
графов легко формулируется и решается задача о назначении на должности. А
именно: если имеется несколько вакантных должностей и группа лиц, желающих их
занять, причем каждый из претендентов имеет квалификацию для нескольких
должностей, то при каких условиях каждый из претендентов сможет получить работу
по одной из своих специальностей?
Свойства графов
не зависят от того, соединены вершины отрезками или кривыми линиями. Это дает
возможность изучения их свойств с помощью одной из молодых наук – топологии,
хотя сами задачи теории графов являются типичными задачами комбинаторики.
Вот несколько
задач теории графов. Задача об эйлеровом пути: найти путь по ребрам графа,
проходящий по каждому ребру ровно один раз. Такой путь существует лишь в том
случае, если граф – связный, т. е. от каждой его вершины к каждой другой можно
пройти по ребрам графа, и из каждой вершины, кроме, может быть, двух, выходит
четное число ребер. На графе, изображенном на рис. 3,а, он есть, а на рис. 3,б
его нет.
Хроматическим
числом графа называется наименьшее количество красок, с помощью которых можно
так раскрасить вершины графа, что любые две вершины, соединенные ребром,
окрашиваются при этом в разные цвета. Долгое время математики не могли решить
эту проблему: достаточно ли четырех красок, для того чтобы раскрасить
произвольную графическую карту так, чтобы любые две стороны, имеющие общую
границу, были окрашены разными красками? Если изобразить страны точками –
вершинами графа, соединив ребрами те вершины, для которых соответствующие им
страны граничат , то задача сведется к следующей: верно ли, что хроматическое
число любого графа, расположенного на плоскости, не больше четырех? Положительный
ответ на этот вопрос был лишь недавно получен с помощью ЭВМ.
Используя графы
можно решать задачи. Вот, например, как выглядит последняя американская версия
известной задачи Дьюдени:
1. Смит, Джонс
и Робинсон работают в одной поездной бригаде машинистом, кондуктором и
кочегаром. Профессии их названы не обязательно в том же порядке, что и фамилии.
В поезде, который обслуживает бригада, едут трое пассажиров с теми же
фамилиями. В дальнейшем каждого пассажира мы будем почтительно называть
«мистер» (м-р)
2. М-р Робинсон
живет в Лос-Анджелесе.
3. Кондуктор
живет в Омахе.
4. М-р Джонс
давно позабыл всю алгебру, которой его учили в колледже.
5. Пассажир –
однофамилец кондуктора живет в Чикаго.
6. Кондуктор и
один из пассажиров, известный специалист по математической физике, хотя в одну
церковь.
7. Смит всегда
выигрывает у кочегара, когда им случается встречаться за партией в бильярд.
Как фамилия
машиниста?
Здесь 1-5 –
номера ходов, в скобках – номера пунктов задачи, на основании которых сделаны
ходы (выводы).
Далее следует
из п.7, что кочегар не Смит, следовательно, Смит-машинист.
Заключение
В настоящем
реферате рассмотрены математические графы, области их применения, решено
несколько задач с помощью графов. Графы достаточно широко применяются в
математике, технике, экономике, управлении. Знание основ теории графов
необходимо в различных областях, связанных с управлением производством, бизнесом
(например, сетевой график строительства, графики доставки почты). Кроме того,
работая над рефератом, я освоил работу на компьютере в текстовом редакторе WORD. Таким образом, задачи реферата
выполнены.
Список
литературы
1.
Энциклопедический словарь юного математикаСост.А.П.Савин.- М.: Педагогика,
1989
2. Квант №6
1994г.
3. М.Гарднер
«Математические досуги»М.: Мир, 1972