Понятие и определения графа

Во многих случаях жизни привычка толкает нас рисовать на бумаге точки, изображающие населенные пункты, агрегаты, людей, химические вещества и т.д., и соединять эти точки линия-ми или стрелками, указывающими на связи между соответствующими объектами. Такие схемы встречаются всюду под разными названиями: карты дорог, технологические схемы предприя-тий, диаграммы организаций, электрические цепи, сети коммуникаций, блок-схемы алгоритмов, генеалогические деревья и пр. Хотя такого рода объекты изучались достаточно давно (начиная с Эйлера), немецкий математик Д. Кёниг был первым, кто предложил называть такие схемы «графами» и систематически изучать их свойства (в 1936 году).

Граф характеризует связи между объектами; условно эти объекты изображаются точками, а связи между ними – линиями, соединяющими соответствующие точки. При этом положение точек, наклон и длина линий совершенно не имеют значения (в отличие, например, от изобра-жений в геометрии); важно лишь то, какие именно пары точек соединены, а какие – нет. Для удобства будем обозначать вершины натуральными числами (вообще говоря, их можно обозна-чать любыми символами).

Пример 1. На рис.1 приведен пример трёх графов. На первый взгляд эти графы различны. Однако на самом деле во всех трёх случаях изображен один и тот же граф. Действительно, во всех трех изображениях соединены между собой те же самые пары точек: {1, 2}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 3}, {2, 4}, {2, 5}, {3, 4}, {4, 5}; никакие другие пары точек не соединены ■

Рис.1

В одних случаях при описании связей между объектами «направление» связи не имеет значения. Соответствующие точки в графе соединяются линией без стрелки (как на рис.1); граф в этом случае называется неориентированным. В других случаях важно не только то, что объек-ты связаны, но и то, как именно «направлена» эта связь. Соответствующие точки в графе соеди-няются линией со стрелкой; граф в этом случае называется ориентированным. С помощью нео-риентированных графов удобно представлять, например, карты дорог; технологические схемы естественно описывать с помощью ориентированных графов. Пример ориентированного графа (так называемая «сеть питания») показан на рис.2.

1.1. Формальное определение графов. Нам понадобятся введённые в разделе 3.5 понятия функции типа A→B, инъективной функции, множеств отправления, прибытия, определения и значения функции, а также введённое в разделе 3.1 понятия кортежа (пары и тройки).

Рис.2

1.1.1. Определение неориентированных графов. Обозначим через X^1-2 множество всех одно- и двухэлементных подмножеств множества X. Дадим теперь необходимые формальные определения. Неориентированным графом G называется тройка áV, E, Fñ, где V – множество вершин графа, E – множество его рёбер, F – всюду определённая функция типа E→V^1-2 (т.е. функция, у которой область определения совпадает с областью отправления). Это определение может показаться сложным и запутанным, особенно в сравнении с интуитивно ясным представ-лением о графе, данном в примере 1. Остановимся на этом подробнее.

Пример 2. Рассмотрим граф, показанный на рис.3. В этом графе множество рёбер E = {a, b, c, d, e, f, g}; множество вершин V = {1, 2, 3, 4}; V^1-2 = {{1}, {2}, {3}, {4}, {1, 2}, {1, 3}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4}, {3, 4}}. Рёбра a и b соединяют одни и те же вершины 1 и 3; рёбра c и d соединяют

одни и те же вершины 1 и 4; ребро e соединяет вершины 2 и 3; ребро f соединяет вершины 1 и 2; наконец, ребро g соединяет вершины 2 и 4. Именно такого рода соответствия формализуются с помощью функции F. В данном случае

F(a) = F(b) = {1, 3}, F(c) = F(d) = {1, 4}, F(f) = {1, 2}, F(e) = {1, 3}, F(g) = {2, 4}. (1)

Рёбра, соединяющие одну и ту же пару вершин, называются кратными. В рассматриваемом случае кратными являются рёбра a и b, а также c и d. Заметим, что концы определены для всех рёбер, что и означает, что функция F всюду определена. Другими словами, никаких «болтаю-щихся» концов у рёбер нет ■

В общем случае можно сказать, что значение функции F на произвольном ребре p, т.е. од-но- или двухэлементное множество вершин, как раз представляет собой множество концов дан-ного ребра p (сравните рис.3 и соотношения (1) и убедитесь в этом!). В примере 2 все эти мно-жества были двухэлементными, т.е. рёбра, у которых оба конца совпадают, в графе на рис.3 отсутствуют. Однако в общем случае такие рёбра могут присутствовать.

Пример 3. Рассмотрим граф, показанный на рис.4. В этом графе F(a) = {1}, F(b) = {1, 2}. Рёбра, у которых концы совпадают (с вершиной A), называются петлями при вершинах (вер-шине A). Вообще говоря, петель при одной и той же вершине (т.е. кратных петель) может быть несколько, как и рёбер, соединяющих одну и ту же пару разных вершин ■

Рис.3

Рис.4

Во многих случаях разным рёбрам графа соответствуют разные пары вершин (если они не являются петлями) и разные вершины (если они являются петлями). В этих случаях функция F является инъекцией (см. раздел 3-5), а соответствующий граф называется простым.

Напомним, что инъективной функцией, или инъекцией, называется функция F, такая, что

[x ≠ y] → [F(x) ≠F(y)] (2)

(определение импликации P → Q см. в разделе 1.2).

Поскольку каждое ребро простого графа однозначно определяется своими концами, то та-кое ребро можно однозначно задать двухэлементным или одноэлементным (для петли) множес-твом его концов. Таким образом, можно дать следующее формальное определение. Неориенти-рованным простым графом G называется пара áV, Eñ, где V – множество вершин графа, E V^1-2 – множество его рёбер. Здесь одноэлементное множество из V, т.е. множество вида {i}, означает ребро – петлю при вершине i, а двухэлементное множество {i, j} означает ребро с концами i и j. Заметим также, что иногда в литературе простые графы называются графами, а графы, содержа-щие кратные рёбра – мультиграфами.

Пример 4.Рассмотрим граф, показанный на рис.4. Этот граф является простым. Поэтому его можно задать парой множеств áV, Eñ, где V = {1, 2} – множество вершин графа, E = {{1}, {1, 2}} – множество его рёбер ■

Пример 5. Граф, показанный на рис.1, является простым графом без петель. Он задаётся парой множеств áV, Eñ, где V = {1, 2, 3, 4, 5} – множество его вершин, E = {{1, 2}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 3}, {2, 4}, {2, 5}, {3, 4}, {4, 5}} – множество его рёбер ■

Поскольку простой граф – частный случай графа, то введённое выше задание графа в виде тройки áV, E, Fñ является более общим и может быть использовано во всех случаях, в том числе и для простых графов. В то же время задание парой áV, Eñ, которое применимо ко всем простым парам, не может использоваться в общем случае: если несколько рёбер имеют общие концы i и j, то их, конечно, нельзя задать одним и тем же двухэлементным множеством {i, j}. Следует сказать, что задание парой проще, чем задание тройкой. Поэтому во всех случаях, когда это возможно, т.е. для простых графов, будем использовать задание парой áV, Eñ.

Резюмируем рассмотренные примеры 1 – 5.

Граф на рис.1 задаётся парой áV, Eñ, где V = {1, 2, 3, 4, 5}, E = {{1, 2}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 3}, {2, 4}, {2, 5}, {3, 4}, {4, 5}}.

Граф на рис.3 задаётся тройкой áV, E, Fñ, гдеV = {1, 2, 3, 4}, E ={a, b, c, d, e, f, g}, F(a) = F(b) = {1, 3},F(c) = F(d) = {1, 4}, F(f) = {1, 2}, F(e) = {1, 3}, F(g) = {2, 4}.

Граф на рис.4 может быть задан как парой áV, Eñ, где V = {1, 2}, E = {{1}, {1, 2}}, так и тройкой áV, E, Fñ, где V = {1, 2}, E ={a, b}, F(a) = {1}, F(b) = {1, 2}.

В связи с введёнными способами задания графов (напомним, что пока рассматриваются только неориентированные графы) предлагаются следующие виды стандартных заданий:

1) по заданному формальному описанию (в виде тройки или пары) нарисовать граф;

2) по заданному изображению дать формальное описание графа в виде пары áV, Eñ(если граф простой) или тройки áV, E, Fñ (в противном случае). Если номера вершин и/или имена рёбер на рисунке не указаны, дать их самостоятельно.

Конечно, существует много других способов формального задания графов, один из кото-рых описан далее, в разделе 4.1. В основном выбор формального задания графа (структуры дан-ных) определяется эффективностью алгоритма, при программной реализации которого этот вид задания используется. Подробнее эти вопросы рассматриваются в других курсах (например, в курсе «Структуры и алгоритмы обработки данных»).

1.1.2. Определение ориентированных графов. Оно во многом схоже с определением не-ориентированных графов. Ориентированным графом G называется тройка áV, A, Fñ, где V – множество вершин графа, А – множество его дуг, F – всюду определённая функция типа А→V² (напомним, что через V² обозначается прямое произведение (см. раздел 1-3.2) множества вер-шин V на себя или V×V, т.е. множество всех упорядоченных пар áx, yñ, где x, yÎV). В отличие от двухэлементных множеств {x, y}, в которых по самому смыслу слова «двухэлементный» x и y не совпадают, в паре áx, yñ компоненты могут совпадать. Это определение близко по смыслу к определению неориентированных графов. Именно, F(a) = ái, jñ означает, что дуга a выходит из вершины i и входит в вершину j; если же i = j, то это означает, что данная дуга является петлёй при вершине i. Как и в неориентированном случае, если функция F инъективна, то соответству-ющий граф называется простым; при этом для каждой пары вершин ái, jñ существует не более одной дуги с началом i и концом j. Поэтому здесь также можно задавать любую дугу упорядо-ченной парой ái, jñ, состоящей из её начала i и конца j, и представлять граф G в виде пары áV, Añ, где множество дуг A V². Обратим внимание на то, что дуги ái, jñ и áj, iñ являются разными.

Для сокращения записи иногда (если это не вызовет недоразумений) неориентированные графы будем называть просто графами, а ориентированные – орграфами.

Пример 6. Граф на рис.2 является простым орграфом без петель. Занумеруем его верши-ны так: Лисы – 1; Насекомые – 2; Трава – 3; Олени – 4; Птицы – 5. Тогда G = áV, Añ, где V = {1, 2, 3, 4, 5}, А = {á1, 2ñ, á1, 5ñ, á2, 3ñ, á4, 3ñ, á5, 2ñ, á5, 3ñ} ■