Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теория графов и её приложения.-1

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
8.93 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.Ф. Тюрин

ТЕОРИЯ ГРАФОВ И ЕЁ ПРИЛОЖЕНИЯ

Практикум

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2017

УДК 621.399 Т89

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.А. Твердохлебов (Институтточноймеханики ипроблемуправленияРАНг. Саратов); кандидат технических наук, доцент А.И. Дерябин (Национальный исследовательский университет

«Высшая школа экономики» (Пермский филиал))

Тюрин, С.Ф.

Т89 Теория графов и её приложения : практикум / C.Ф. Тюрин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2017. – 207 с.

ISBN 978-5-398-01745-8

Изложен материал практикума по основным задачам, решаемым на графах, с использованием систем компьютерной математики и моделирования.

Предназначено для студентов специалитета, изучающих дисциплину «Теория графов и её приложения». Приведены варианты заданий для самостоятельной работы и НИРС. Может быть полезно для магистров, изучающих дисциплины «Исследование операций», «Теория игр и исследование операций».

УДК 621.399

ISBN 978-5-398-01745-8

© ПНИПУ, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение ...................................................................................................

5

Практическое занятие № 1. Задание графов и определение

 

их свойств. ...............................................................................................

14

Практическое занятие № 2. Определение простых

 

метрик графа ...........................................................................................

24

Практическое занятие № 3. Определение множеств

 

внутренней и внешней устойчивости ориентированного графа........

35

Практическое занятие № 4. Анализ теорем Холла и Рамсея............

45

Практическое занятие № 5. Решение экстремальных

 

задач на графах 1. Нахождение кратчайших путей в графе

 

с рёбрами единичной длины. Задача о Ханойской башне..................

48

Практическое занятие № 6. Решение экстремальных

 

задач на графах. Нахождение кратчайших путей в графе

 

с рёбрами не единичной длины. Нахождение минимального

 

стягивающего дерева. .............................................................................

55

Практическое занятие № 7. Решение экстремальных задач

 

на графах. Нахождение максимального потока в транспортной

 

сети (flow network). Алгоритм Форда–Фалкерсона.............................

60

Практическое занятие № 8. Анализ графа марковской цепи

 

в СКМ «Маткад» и в системе Windchill Quality Solutions 10.0..........

68

Практическое занятие № 9. Нахождение критического пути

 

в сетевом графике. ..................................................................................

79

Практическое занятие № 10. Перечисление деревьев.

 

Кодирование Прюфера ..........................................................................

85

Практическое занятие № 11. Анализ автоморфизмов графов..........

95

Практическое занятие № 12. Решение задач реализации

 

графа – схемы алгоритма (СА) конечным автоматом.........................

97

Практическое занятие № 13. Моделирование сети Петри..............

132

Практическое занятие № 14. Анализ графа Small World................

141

Список литературы...............................................................................

145

3

Приложение 1. Варианты неориентированных графов

 

без петель .....................................................................................

147

Приложение 2. Варианты ориентированных графов без петель .....

152

Приложение 3. Варианты задач определения кратчайших

 

путей в графах с рёбрами не единичной длины использованием

 

программы GRIN ..................................................................................

157

Приложение 4. Варианты задач поиска минимального

 

стягивающегодеревасиспользованиемпрограммыGRIN (Maple) ....

166

Приложение 5. Варианты задач нахождения максимальных

 

потоков в транспортных сетях.............................................................

175

Приложение 6. Варианты транспортных задач. ................................

182

Приложение 7. Варианты схем алгоритмов.......................................

187

Приложение 8. Варианты для сетевого графика

 

и определения критического пути .....................................................

195

Приложение 9. Варианты определения кратчайшего пути .............

197

4

ВВЕДЕНИЕ

Считается, что всё началось с Эйлера, со знаменитой задачи о кёнигсбергских мостах (1736 г.) [1] (рис. 1).

Рис. В1. Марка СССР, посвящённая юбилею Эйлера

Но упоминаний о пребывании Эйлера в Кёнигсберге найдено не было. В 1752 г. Эйлер опубликовал формулу, связывающую между собой количество граней трёхмерного многогранника:

В + Г = Р + 2,

где В – количество вершин, Г – количество граней, Р – количество рёбер.

Однако ещё в 1620 г. Рене Декарт показал, что сумма углов всех граней многогранника равна одновременно 360° (Р – Г)

и 360° (В – 2).

Более строгое доказательство формулы Эйлера дал Коши в 1811 г.

Оказывается, соотношение Эйлера справедливо не для любых многогранников. Симон Люилье в 1812 г. (фр. Simon Antoine

5

РенеДекарт

ОгюстЛуиКоши

(1596–1650)

(фр. Augustin Louis Cauchy;

 

1789–1857)

Jean L'Huilier, иногда L’Huillier, 1750–1840), швейцарский мате-

матик французского происхождения, при рассмотрении коллекции минералов обратил внимание на прозрачный кристалл полевого шпата, внутри которого был чёрный кубический кристалл сернистого свинца (рис. В2–В4).

Рис. В2. Полевойшпат

Рис. В3. Галени́т(отлат. Galena –

 

свинцоваяруда, окалина)

6

Рис. В4. Кристаллическая структура галенита (Pb + S)

Люилье догадался, что куб с кубической полостью внутри не подчиняется формуле Эйлера. Позже были обнаружены и другие объекты, в которых формула Эйлера не выполнялась, например, два тетраэдра, склеенные по ребру или имеющие общую вершину. Теорема Эйлера была уточнена: она верна для многогранников, топологически эквивалентных сфере.

Рассмотрим куб как бы со стеклянными внешними и внутренними гранями (рис. В5).

Рис. В5. Куб в кубе

7

Тогда имеем 12 рёбер внешнего куба, 6 граней внешнего куба и 8 внешних вершин. Те же цифры для внутреннего куба. Всё верно: 16 + 12 не равно 24 + 2. Но вот другой куб – 4-мерный (шесть «громкоговорителей» – «рупоров») (рис. В6).

Рис. В6. Куб с 18 гранями

По низу – 4 грани (они, грани, двухсторонние, но считаем одну), по верху 4, итого 8, «боковушки» – 4 штуки + 6 внутренний кубик, итого 18. Вершин: 8 внешнего куба, 8 – внутреннего, рёбер 12 внешних и 12 внутренних:

В + Г = Р + 2 16 + 18 = 32 + 2.

Всё сходится!

В 1899 г. Пуанкаре обобщил формулу Эйлера на случай N-мерного многогранника.

Здесь мы уже вторгаемся в топологию… Но кто его знает, может топологические нюансы когда-то и будут использоваться в своих корыстных целях нарушителями не только информационной, но и, может быть, пространственно-временной безопасно-

8

сти. Злоумышленники, они есть всегда. Не хочется в это верить, но кто мог подумать в начале эры ЭВМ-компьютеров о каких-то компьютерных вирусах, хакерах и о прочей напасти… А они таки появились.

Жюль Анри́Пуанкаре́

(фр. Jules Henri Poincaré; 1854–1912) –

французский математик, механик, физик, астроном и философ

Теория графов, помимо чисто математических приложений, например, в такой специфической области, как теория групп, применяемая в кодировании как помехоустойчивом, так и с целью шифрования, стала бурно развиваться в ХХ в. на фоне создания и совершенствования первых ЭВМ, на фоне зарождения информатики, информационных технологий и систем.

Автоморфизм алгебраической системы – изоморфизм (от др.-греч. σος – «равный, одинаковый, подобный» и μορφή – «форма»), отображающий алгебраическую систему на себя. Совокупность всех автоморфизмов некоторой алгебраической системы с операцией композиции и тождественным отображением в качестве нейтрального элемента образует группу (рис. В7).

9

Рис. В7. Группа автоморфизмов

10