Как найти степени вершин

8

7.4. Степень вершин.

Определение 7.10. Степенью вершины v для неориентированного графа, обозначается d(v), называется количество ребер, инцидентных этой вершине. Вершина степени 0 называется изолированной. Вершина степени 1 называется висячей.

Определение 7.11. Полустепенью исхода вершины v для орграфа называется количество дуг, для которых v является начальной вершиной, обозначается .

Полустепенью захода вершины v называется количество дуг, для которых v является конечной вершиной, обозначается . Если, то вершинаv называется истоком. Если , то вершинаv называется стоком.

Теорема 7.2. (Теорема Эйлера) Сумма степеней вершин графа равна удвоенному количеству ребер:

.

Доказательство. При подсчете суммы степеней вершин каждое ребро учитывается два раза: для одного конца ребра и для другого.

Следствие 1. Число вершин нечетной степени четно.

Доказательство. По теореме Эйлера сумма степеней всех вершин – четное число. Сумма степеней вершин четной степени четна, значит, сумма степеней вершин нечетной степени также четна, следовательно, их четное число.

Следствие 2. Сумма полустепеней вершин орграфа равна удвоенному количеству дуг:

.

Доказательство. Сумма полустепеней вершин орграфа равна сумме степеней вершин графа, полученного из орграфа забыванием ориентации дуг.

Пример 7.5. Определить степени вершин данного графа.

Пример 7.6. Определить полустепени исхода и захода данного орграфа.

7.5. Представление (способы задания) графов.

Граф как алгебраическая система:

модель, носителем которой является множество вершин, а отношение – бинарное отношение смежности вершин.

Геометрический

Получается путём расположения различных точек на плоскости для каждой вершины vÎV, причём если (v₁,v₂)ÎЕ, то проводится ребро (дуга) из v₁ в v₂.

Для представления в компьютере чаще всего граф задается либо матрицей смежности, либо матрицей инциденций.

Матрицей смежности вершин неориентированного графа G, содержащего n вершин, называют квадратную матрицу A=a_ij n-го порядка, у которой строки и столбцы матрицы соответствуют вершинам неориентированного графа.

Элементы a_ij матрицы A равны числу ребер, направленных из i-й вершины в j-ю. В случае неориентированного графа G ему вместе с ребром (v_i, v_j) принадлежит и ребро (v_j, v_i), поэтому матрица смежности вершин A=a_ij будет симметрична относительно главной диагонали.

ПРИМЕР. Граф: множество вершин V =

Матрица смежности симметрична относительно главной диагонали.

На главной диагонали стоит 1 (символ Л) из-за нерефлексивности отношения на множестве вершин (EÍV´V)

Логическая матрица отношения на множестве вершин графа, которое задается его ребрами.

a b c d

граф с кратными

рёбрами и петлёй

Определение 7.12. Матрица смежности вершин орграфа G, содержащего n вершин- это квадратная матрица A=a_ij n-го порядка, у которой строки и столбцы матрицы соответствуют вершинам орграфа.

Элементы a_ij матрицы A равны числу дуг, направленных из i-й вершины в j-ю. Если орграф состоит из однократных дуг, то элементы матрицы равны либо 0, либо 1.

Матрица смежности:

Пусть дан граф G, его матрица смежности А = [a_ij] определяется следующим образом:

a_ij = 1 если в G существует дуга (x_i, x_j)

a_ij = 0 если в G нет дуги (x_i, x_j)

Определение 7.14. Матрицей инциденций (инцидентности) неориентированного графа с вершинами и ребрами называется матрица размерности, строки которой соответствуют вершинам, а столбцы – ребрам. Элементыматрицы инциденций неориентированного графа равны 1, если вершинаинцидентна ребру, и 0 в противном случае.

Матрицей инциденций (инцидентности) орграфа с вершинами и дугами называется матрица размерностиnm, строки которой соответствуют вершинам, а столбцы -дугам орграфа.

Элементы c_ij равны

1, если дуга e_j исходит из i-й вершины;

–1, если дуга e_j заходит в i-ю вершину;

0, если дуга не инцидентна i-й вершине

Поскольку каждая дуга инцидентна двум различным вершинам, за исключением того случая, когда дуга образует петлю, то каждый столбец либо содержит один элемент, равный 1, и один – равный –1, либо все элементы столбца равны 0.

Степень вершины равна сумме элементов строки, обозначенной этой вершиной, так как каждая единица в этой строке представляет инцидентность этой вершины ребру.

В каждом столбце также будут две единицы, так как каждое ребро инцидентно двум вершинам.

Матрицы инцидентности не имеют большого значения при рассмотрении ориентированных графов, т.к. они не содержат информации о том, как ребро ориентировано.

Поэтому, используя матрицу инцидентности, нельзя восстановить ориентированный граф.

Такую возможность обеспечивает матрица смежности,

Пример 7.7.1. Для заданного неориентированного графа построить матрицы смежностей и матрицу инциденций.

Решение. 1) Строим матрицу смежности вершин, которая будет размерности 44. Строим матрицу смежности ребер, которая будет размерности 55.

2) Строим матрицу инциденций, которая будет размерности 45.

Пример 7.7.2. Для заданного ориентированного графа построить матрицы смежностей и матрицу инциденций.

Решение. 1) Строим матрицу смежности вершин, которая будет размерности 44. Строим матрицу смежности ребер, которая будет размерности 55.

Теория графов – основы

График – это диаграмма точек и линий, соединенных с точками. У него есть по крайней мере одна линия, соединяющая набор из двух вершин без вершин, соединяющих себя. Понятие графов в теории графов опирается на некоторые основные термины, такие как точка, линия, вершина, ребро, степень вершин, свойства графов и т. Д. Здесь, в этой главе, мы рассмотрим эти основы теории графов.

точка

Точка – это конкретная позиция в одномерном, двухмерном или трехмерном пространстве. Для лучшего понимания точку можно обозначить алфавитом. Его можно обозначить точкой.

пример

Здесь точка – это точка с именем «а».

Линия

Линия – это связь между двумя точками. Это может быть представлено сплошной линией.

пример

Здесь «а» и «б» являются точками. Связь между этими двумя точками называется линией.

Вершина – это точка, где встречаются несколько линий. Это также называется узлом . Подобно точкам, вершина также обозначается алфавитом.

пример

Здесь вершина названа с алфавитом «а».

Ребро – это математический термин для линии, соединяющей две вершины. Многие ребра могут быть сформированы из одной вершины. Без вершины ребро не может быть сформировано. Для ребра должна быть начальная и конечная вершина.

пример

Здесь «a» и «b» – две вершины, и связь между ними называется ребром.

график

Граф ‘G’ определяется как G = (V, E), где V – множество всех вершин, а E – множество всех ребер графа.

Пример 1

В приведенном выше примере ab, ac, cd и bd являются ребрами графа. Аналогично, a, b, c и d являются вершинами графа.

Пример 2

В этом графе есть четыре вершины a, b, c и d и четыре ребра ab, ac, ad и cd.

петля

В графе, если ребро нарисовано от вершины к себе, это называется циклом.

Пример 1

На приведенном выше графике V – вершина, для которой у нее есть ребро (V, V), образующее петлю.

Пример 2

В этом графе есть две петли, которые сформированы в вершине a, и вершине b.

Степень вершины

Это число вершин, смежных с вершиной V.

Обозначение – град (V).

В простом графе с n числом вершин степень любых вершин равна –

Вершина может образовывать ребро со всеми остальными вершинами, кроме самой себя. Таким образом, степень вершины будет равна числу вершин в графе минус 1 . Это 1 для собственной вершины, поскольку она не может образовывать петлю сама по себе. Если в любой из вершин есть петля, то это не простой граф.

Степень вершины можно рассматривать по двум случаям графов –

• Ненаправленный граф
• Направленный граф

Степень вершины в неориентированном графе

Ненаправленный граф не имеет направленных ребер. Рассмотрим следующие примеры.

Пример 1

Посмотрите на следующий график –

На приведенном выше неориентированном графике

deg (a) = 2, поскольку в вершине ‘a’ встречаются 2 ребра.

deg (b) = 3, поскольку в вершине ‘b’ встречаются 3 ребра.

deg (c) = 1, поскольку в вершине ‘c’ сформировано 1 ребро

Итак, «c» – это вершина с кулоном .

deg (d) = 2, поскольку в вершине ‘d’ встречаются 2 ребра.

deg (e) = 0, так как в вершине ‘e’ есть 0 ребер.

Так что «е» – изолированная вершина .

deg (a) = 2, поскольку в вершине ‘a’ встречаются 2 ребра.

deg (b) = 3, поскольку в вершине ‘b’ встречаются 3 ребра.

deg (c) = 1, поскольку в вершине ‘c’ сформировано 1 ребро

Итак, «c» – это вершина с кулоном .

deg (d) = 2, поскольку в вершине ‘d’ встречаются 2 ребра.

deg (e) = 0, так как в вершине ‘e’ есть 0 ребер.

Так что «е» – изолированная вершина .

Пример 2

Посмотрите на следующий график –

На приведенном выше графике

deg (a) = 2, deg (b) = 2, deg (c) = 2, deg (d) = 2 и deg (e) = 0.

Вершина «е» является изолированной вершиной. Граф не имеет никакой вершины.

Степень вершины в ориентированном графе

В ориентированном графе каждая вершина имеет степень и степень.

Степень графа

Степень вершины V – это количество ребер, входящих в вершину V.

Обозначение – град – (V).

Степень вершины V – это количество ребер, входящих в вершину V.

Обозначение – град – (V).

Степень графа

Отступ вершины V – это число ребер, выходящих из вершины V.

Обозначение – град + (V).

Отступ вершины V – это число ребер, выходящих из вершины V.

Обозначение – град + (V).

Рассмотрим следующие примеры.

Пример 1

Посмотрите на следующий ориентированный граф. Вершина «а» имеет два ребра, «ad» и «ab», которые идут наружу. Следовательно, его степень равна 2. Аналогично, существует ребро «ga», идущее к вершине «a». Следовательно, степень «а» равна 1.

Степень и степень других вершин показаны в следующей таблице:

Пример 2

Посмотрите на следующий ориентированный граф. Вершина ‘a’ имеет ребро ‘ae’, идущее наружу от вершины ‘a’. Следовательно, его степень равна 1. Аналогично, у графа есть ребро «ba», приближающееся к вершине «a». Следовательно, степень «а» равна 1.

Степень и степень других вершин показаны в следующей таблице:

Кулон Вертекс

Используя степень вершины, мы получаем два специальных типа вершин. Вершина с первой степенью называется нерешенной вершиной.

пример

Здесь, в этом примере, вершина ‘a’ и вершина ‘b’ имеют соединенное ребро ‘ab’. Таким образом, что касается вершины «a», то к вершине «b» имеется только одно ребро, и аналогично по отношению к вершине «b» есть только одно ребро к вершине «a». Наконец, вершина ‘a’ и вершина ‘b’ имеют степень как единицу, которая также называется висячей вершиной.

Изолированная вершина

Вершина с нулевой степенью называется изолированной вершиной.

пример

Здесь вершина «a» и вершина «b» не имеют связи между собой, а также с любыми другими вершинами. Таким образом, степень обеих вершин ‘a’ и ‘b’ равна нулю. Они также называются изолированными вершинами.

смежность

Вот нормы смежности –

В графе две вершины называются смежными, если между двумя вершинами есть ребро. Здесь смежность вершин поддерживается одним ребром, соединяющим эти две вершины.

В графе два ребра называются смежными, если между двумя ребрами есть общая вершина. Здесь смежность ребер поддерживается единственной вершиной, соединяющей два ребра.

В графе две вершины называются смежными, если между двумя вершинами есть ребро. Здесь смежность вершин поддерживается одним ребром, соединяющим эти две вершины.

В графе два ребра называются смежными, если между двумя ребрами есть общая вершина. Здесь смежность ребер поддерживается единственной вершиной, соединяющей два ребра.

Пример 1

На приведенном выше графике –

«a» и «b» – это смежные вершины, так как между ними есть общее ребро «ab».

«a» и «d» являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро «ad».

ab ‘и’ be ‘- смежные ребра, так как между ними есть общая вершина’ b ‘.

be ‘и’ de ‘- смежные ребра, так как между ними есть общая вершина’ e ‘.

«a» и «b» – это смежные вершины, так как между ними есть общее ребро «ab».

«a» и «d» являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро «ad».

ab ‘и’ be ‘- смежные ребра, так как между ними есть общая вершина’ b ‘.

be ‘и’ de ‘- смежные ребра, так как между ними есть общая вершина’ e ‘.

Пример 2

На приведенном выше графике –

a ‘и’ d ‘являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро’ ad ‘.

‘c’ и ‘b’ являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро ‘cb’.

‘ad’ и ‘cd’ являются смежными ребрами, так как между ними есть общая вершина ‘d’.

ac ‘и’ cd ‘являются смежными ребрами, так как между ними есть общая вершина’ c ‘.

a ‘и’ d ‘являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро’ ad ‘.

‘c’ и ‘b’ являются смежными вершинами, так как между ними есть общее ребро ‘cb’.

‘ad’ и ‘cd’ являются смежными ребрами, так как между ними есть общая вершина ‘d’.

ac ‘и’ cd ‘являются смежными ребрами, так как между ними есть общая вершина’ c ‘.

Параллельные края

В графе, если пара вершин соединена более чем одним ребром, то эти ребра называются параллельными ребрами.

На приведенном выше графике «a» и «b» – это две вершины, которые соединены между собой двумя ребрами «ab» и «ab». Так это называется параллельным ребром.

Мульти График

Граф, имеющий параллельные ребра, называется мультиграфом.

Пример 1

На приведенном выше графике есть пять ребер «ab», «ac», «cd», «cd» и «bd». Поскольку ‘c’ и ‘d’ имеют два параллельных ребра между ними, это мультиграф.

Пример 2

На приведенном выше графике вершины «b» и «c» имеют два ребра. Вершины ‘e’ и ‘d’ также имеют два ребра между ними. Следовательно, это мультиграф.

Степень последовательности графика

Если степени всех вершин в графе расположены в порядке убывания или возрастания, то полученная последовательность называется последовательностью графа графа.

Пример 1

На приведенном выше графике для вершин последовательность степеней равна <3, 2, 2, 2, 1>.

Пример 2

На приведенном выше графике для вершин последовательность степеней равна <2, 2, 2, 2, 2, 0>.

Степень вершины (теория графов)

Степень вершины (англ.  degree , также валентность, англ.  valency ) в теории графов — количество рёбер графа , инцидентных вершине . При подсчёте степени ребро-петля учитывается дважды. [1] Степень вершины обозначается как (в западных источниках — ). Максимальная и минимальная степень вершин графа G обозначаются соответственно Δ(G) и δ(G). На рис. 1 максимальная степень равна 5, минимальная — 0. В регулярном графе степени всех вершин одинаковы, поэтому в данном случае можно говорить о степени графа.

Содержание

Лемма о рукопожатиях

По формуле суммы степеней для графа ,

Последовательность степеней вершин неориентированного графа является невозрастающей последовательностью. [2] Для графа, изображённого на рис. 1, она имеет вид (5, 3, 3, 2, 2, 1, 0). Последовательность степеней вершин есть инвариант графа, поэтому у изоморфных графов она одинакова. Однако последовательность степеней вершин не является уникальной характеристкой графа: в некоторых случаях неизоморфные графы также обладают одинаковой последовательностью.

Проблема последовательности степеней заключается в нахождении некоторых или всех графов с заданной невозрастающей последовательностью, состоящей из натуральных чисел (нулевые степени при этом могут быть проигнорированы, так как их количество изменяется добавлением или удалением изолированных вершин). Последовательность, являющаяся последовательностью степеней какого-либо графа, называется графической (англ.  graphical sequence ). Из формулы суммы степеней следует, что любая последовательность с нечётной суммой (как, к примеру, 3, 3, 1) не может быть последовательностью степеней графа. Обратное также верно: если последовательность имеет чётную сумму, она представляет собой последовательность степеней мультиграфа. Построение такого графа осуществляется достаточно простым способом: необходимо объединить вершины нечётных степеней в пары, к оставшимся незаполненными вершинам следует добавить петли.

Сложнее реализовать простой граф с заданной последовательностью. Теорема Эрдёша — Галлаи утверждает, что невозрастающая последовательность d_i (при i = 1,…,n) может быть последовательностью простого графа только если её сумма чётна и выполняется неравенство

В этой статье мы познакомимся с основными терминами и определениями Теории графов. Каждый термин схематично показан на картинках.

Самый объёмный модуль на курсе «Алгоритмы и структуры данных» посвящён теории графов.

Граф — это топологичекая модель, которая состоит из множества вершин и множества соединяющих их рёбер. При этом значение имеет только сам факт, какая вершина с какой соединена.

Например, граф на рисунке состоит из 8 вершин и 8 рёбер.

Очень многие задачи могут быть решены используя богатую библиотеку алгоритмов теории графов. Для этого достаточно лишь принять объекты за вершины, а связь между ними — за рёбра, после чего весь арсенал алгоритмов теории графов к вашим услугам: нахождение маршрута от одного объекта к другому, поиск связанных компонент, вычисление кратчайших путей, поиск сети максимального потока и многое другое.

В этой статье мы познакомимся с основными терминами и определениями теории графов. На курсе “Алгоритмы и Структуры данных” в компании Отус “Теория графов” изучается в самом объёмном модуле из 6 вебинаров, где мы изучаем десяток самых популярных алгоритмов.

Вершина — точка в графе, отдельный объект, для топологической модели графа не имеет значения координата вершины, её расположение, цвет, вкус, размер; однако при решении некоторых задачах вершины могут раскрашиваться в разные цвета или сохранять числовые значения.

Ребро — неупорядоченная пара двух вершин, которые связаны друг с другом. Эти вершины называются концевыми точками или концами ребра. При этом важен сам факт наличия связи, каким именно образом осуществляется эта связь и по какой дороге — не имеет значения; однако рёбра может быть присвоен “вес”, что позволит говорить о “нагруженном графе” и решать задачи оптимизации.

Инцидентность — вершина и ребро называются инцидентными, если вершина является для этого ребра концевой. Обратите внимание, что термин “инцидентность” применим только к вершине и ребру.

Смежность вершин — две вершины называются смежными, если они инцидентны одному ребру.

Смежность рёбер — два ребра называются смежными, если они инцедентны одной вершине.

Говоря проще — две вершины смежные, если они соединены ребром, два ребра смежные — если они соединены вершиной.

Петля — ребро, инцидентное одной вершине. Ребро, которое замыкается на одной вершине.

Псевдограф — граф с петлями. С такими графами не очень удобно работать, потому что переходя по петле мы остаёмся в той же самой вершине, поэтому у него есть своё название.

Кратные рёбра — рёбра, имеющие одинаковые концевые вершины, по другому их называют ещё параллельными.

Мультиграф — граф с кратными рёбрами.

Псевдомультиграф — граф с петлями и кратными рёбрами.

Степень вершины — это количество рёбер, инцидентных указанной вершине. По-другому — количество рёбер, исходящих из вершины. Петля увеливает степень вершины на 2.

Изолированная вершина — вершина с нулевой степенью.

Висячая вершина — вершина со степенью 1.

Подграф. Если в исходном графе выделить несколько вершин и несколько рёбер (между выбранными вершинами), то мы получим подграф исходного графа.

Идея подграфов используется во многих алгоритмах, например, сначала создаётся подграф их всех вершин без рёбер, а потом дополняется выбранными рёбрами.

Полный граф — это граф, в котором каждые две вершины соединены одним ребром.

Сколько рёбер в полном графе? Это известная задача о рукопожатиях: собралось N человек (вершин) и каждый с каждым обменялся рукопожатием (ребро), сколько всего было рукопожатий? Вычисляется как сумма чисел от 1 до N — каждый новый участник должен пожать руку всем присутствующим, вычисляется по формуле: N * (N — 1) / 2.

Регулярный граф — граф, в котором степени всех вершин одинаковые.

Двудольный граф — если все вершины графа можно разделить на два множества таким образом, что каждое ребро соединяет вершины из разных множеств, то такой граф называется двудольным. Например, клиент-серверное приложение содержит множество запросов (рёбер) между клиентом и сервером, но нет запросов внутри клиента или внутри сервера.

Планарный граф. Если граф можно разместить на плоскости таким образом, чтобы рёбра не пересекались, то он называется “планарным графом” или “плоским графом”.

Если это невозможно сделать, то граф называется “непланарным”.

Минимальные непланарные графы — это полный граф К5 из 5 вершин и полный двудольный граф К3,3 из 3+3 вершин (известная задача о 3 соседях и 3 колодцах). Если какой-либо граф в качестве подграфа содержит К5 или К3,3, то он является непланарным.

Путь или Маршрут — это последовательность смежных рёбер. Обычно путь задаётся перечислением вершин, по которым он пролегает.

Длина пути — количество рёбер в пути.

Цепь — маршрут без повторяющихся рёбер.

Простая цепь — цепь без повторяющихся вершин.

Цикл или Контур — цепь, в котором последняя вершина совпадает с первой.

Длина цикла — количество рёбер в цикле.

Самый короткий цикл — это петля.

Цикл Эйлера — цикл, проходящий по каждому ребру ровно один раз. Эйлер доказал, что такой цикл существует тогда, и только тогда, когда все вершины в связанном графе имеют чётную степень.

Цикл Гамильтона — цикл, проходящий через все вершины графа по одному разу. Другими словами — это простой цикл, в который входят все вершины графа.

Взвешенный граф — граф, в котором у каждого ребра и/или каждой вершины есть “вес” — некоторое число, которое может обозначать длину пути, его стоимость и т. п. Для взвешенного графа составляются различные алгоритмы оптимизации, например поиск кратчайшего пути.

Пока ещё не придуман алгоритм, который за полиномиальное время нашёл бы кратчайший цикл Гамильтона в полном нагруженном графе, однако есть несколько приближённых алгоритмов, которые за приемлимое время находят если не кратчайший, то очень короткий цикл, эти алгоритмы мы также рассматриваем на курсе Отуса — “Алгоритмы и структуры данных”.

Связный граф — граф, в котором существует путь между любыми двумия вершинами.

Дерево — связный граф без циклов.

Между любыми двумя вершинами дерева существует единственный путь.

Деревья часто используются для организации иерархической структуры данных, например, при создании двоичных деревьев поиска или кучи, в этом случае одну вершину дерева называют корнем.

Лес — граф, в котором несколько деревьев.

Ориентированный граф или Орграф — граф, в котором рёбра имеют направления.

Дуга — направленные рёбра в ориентированном графе.

Полустепень захода вершины — количество дуг, заходящих в эту вершину.

Исток — вершина с нулевой полустепенью захода.

Полустепень исхода вершины — количество дуг, исходящих из этой вершины

Сток — вершина с нулевой полустепенью исхода.

Компонента связности — множество таких вершин графа, что между любыми двумя вершинами существует маршрут.

Компонента сильной связности — максимальное множество вершин орграфа, между любыми двумя вершинами которого существует путь по дугам.

Компонента слабой связности — максимальное множество вершин орграфа, между любыми двумя вершинами которого существует путь по дугам без учёта направления (по дугам можно двигаться в любом направлении).

Мост — ребро, при удалении которого, количество связанных компонент графа увеличивается.

Это только основные термины и определения теории графов, которые мы рассматриваем на первом вебинаре модуля “Теория графов”. Цель статьи — дать наглядное и понятное представление об этих терминах, для чего и были нарисованы эти картинки.