Связность. Компоненты связности

Подграфом графа G (ориентированного графа D) называется граф, все вершины и ребра которого содержатся среди вершин и ребер графа G (D).

Подграф называется собственным, если он отличен от самого графа.

Говорят, что вершина w ориентированного графа D (графа G) достижима из вершины v, если либо w=v, либо существует путь (маршрут) из v в w.

Граф (ориентированный граф) называется связным (сильно связным), если для любых двух его вершин v, w существует маршрут (путь), соединяющий v и w.

Компонентой связности графа G (сильной связности ориентированного графа D) называется его связный (сильно связный) подграф, не являющийся собственным подграфом никакого другого связного (сильно связного) подграфа графа G (ориентированного графа D).

Матрицы достижимости и связности

Пусть A(D) – матрица смежности ориентированного псевдографа D=(V,X) (или псевдографа G=(V,X)), где V={v₁,…, v_n}. Обозначим через A^k=[a^(k)_ij] k-ю степень матрицы смежности A(D).

Элемент a^(k)_ij матрицы A^k ориентированного псевдографа D=(V,X) (псевдографа G=(V,X)) равен числу всех путей (маршрутов) длины k из v_i в v_j.

Матрица достижимости ориентированного графа D − квадратная матрица T(D)=[t_ij] порядка n, элементы которой равны

Матрица сильной связности ориентированного графа D − квадратная матрица S(D)=[s_ij] порядка n, элементы которой равны

Матрица связности графа G − квадратная матрица S(G)=[s_ij] порядка n, элементы которой равны

Пусть G=(V,X) – граф, V={v₁,…, v_n}, A(G) – его матрица смежности. Тогда

S(G)=sign[E+A+A²+A³+… A^n-1] (E- единичная матрица порядка n).

Утверждение 3.Пусть D=(V,X) – ориентированный граф, V={v₁,…, v_n}, A(D) – его матрица смежности. Тогда

1) T(D)=sign[E+A+A²+A³+… A^n-1],

2) S(D)=T(D)&T^T(D) (T^T-транспонированная матрица, &- поэлементное умножение).

Расстояния в графе

Пусть - граф (или псевдограф). Расстоянием между вершинами называется минимальная длина пути между ними, при этом , , если не пути.

Расстояние в графе удовлетворяют аксиомам метрики

1) ,

2) (не в ориентированном графе)

3)

4) в связном графе (не в ориентированном графе).

Пусть связный граф (или псевдограф).

Диаметром графа G называется величина .

Пусть .

Максимальным удалением (эксцентриситетом) в графе G от вершины называется величина .

Радиусом графа G называется величина

Центром графа G называется любая вершина такая, что .

Образ и прообраз вершины и множества вершин

Пусть ориентированный граф - некоторая вершина .

Обозначим - образ вершины ;

- прообраз вершины ;

- образ множества вершин V₁ ;

- прообраз множества вершин V₁.

Нагруженные графы

Нагруженный граф − ориентированный граф D=(V,X), на множестве дуг которого определена не которая функция , которую называют весовой функцией.

Цифра над дугой (см. рис. 5)− вес дуги (цена дуги).

Рис. 5.

Обозначения: для любого пути П нагруженного ориентированного графа D через l(П) сумму длин дуг, входящих в путь П. (Каждая дуга считается столько раз, сколько она входит в путь П).

Величина l называется длиной пути.

Если выбрать веса равными 1, то придем к ненагруженному графу.

Путь в нагруженном ориентированном графе из вершины v в вершину w, где v¹w, называется минимальным, если он имеет наименьшую длину.

Аналогично определяется минимальный маршрут в нагруженном графе.

Введем матрицу длин дуг C(D)=[c_ij] порядка n, причем

Свойства минимальных путей в нагруженном ориентированном графе

1) Если для " дуги , то " минимальный путь (маршрут) является простой цепью;

2) если минимальный путь (маршрут) то для " i,j : путь (маршрут) тоже является минимальным;

3) если − минимальный путь (маршрут) среди путей (маршрутов) из v в w, содержащих не более k+1 дуг (ребер), то − минимальный путь (маршрут) из v в u среди путей (маршрутов), содержащих не более k дуг (ребер).

Деревья и циклы

Граф G называется деревом если он является связным и не имеет циклов.

Граф G называется лесом если все его компоненты связности - деревья.

Свойства деревьев:

Следующие утверждения эквивалентны:

1) Граф G есть дерево.

2) Граф G является связным и не имеет простых циклов.

3) Граф G является связным и число его ребер ровно на 1 меньше числа вершин.

4) " две различные вершины графа G можно соединить единственной (и при этом простой) цепью.

5) Граф G не содержит циклов, но, добавляя к нему любое новое ребро, получаем ровно один и притом простой цикл

Утверждение 4.Если у дерева G имеется, по крайней мере, 1 ребро, то у него найдется висячая вершина.

Утверждение 5.Пусть G связный граф, а − висячая вершина в G, граф получается из G в результате удаления вершины и инцидентного ей ребра. Тогда тоже является связным.

Утверждение 6.Пусть G - дерево с n(G) вершинами и m(G) ребрами. Тогда m(G)=n(G)-1.

Утверждение 7.Пусть G – дерево. Тогда любая цепь в G будет простой.

Остовным деревом связного графа G называется любой его подграф, содержащий все вершины графа G и являющийся деревом.

Пусть G – связный граф. Тогда остовное дерево графа G должно содержать n(G)-1 ребер. Значит, для получения остовного дерева из графа G нужно удалить ребер.

Число − цикломатическое число графа G.