7.Графы и деревья

Граф - это двойка <V, E>, где V - непустое множество вершин, а Е - множество ребер, соединяющих эти вершины попарно. Две вершины, связанные между собой ребром, равноправны, и именно поэтому такие графы называются неориентированными: нет никакой разницы между «началом» и «концом» ребра.

Говоря простым языком, граф - это множество точек (для удобства изображения - на плоскости) и попарно соединяющих их линий (не обязательно прямых). В графе важен только факт наличия связи между двумя вершинами. От способа изображения этой связи структура графа не зависит.

Если ребра графа определяются упоря­доченными парами вершин, то такой граф называют ориентированным – орграфом (на чертеже при изображении ориентированного графа на каждом ребре ставят стрелку, указы­вающую его направление).

Если порядок ребер не имеет значения, то граф называется неориентированным.

Если две вершины соединены двумя или более ребрами, то эти ребра называют параллельными (например, ребра е4 и е5). Если начало и конец ребра совпадают, то такое ребро называется петлей (например, ребро e7).

Граф без петель и параллель­ных ребер называется простым.

Если ребро е_к определяется вершинами v_i и v_j (будем обозначать этот факт следующим образом: е_k = (v_i, v_j), то говорят, что ребро е_к инцидентно вершинам v_i и v_j.

Граф G(E,U) называется конечным, если множество Е вершин конечно. Граф G(E,U), у которого любые две вершины соединены ребром, называется полным. Если хотя бы две вершины соединены несколь­кими ребрами, то такой граф называется мультиграфом. Две верши­ны е_i, е_j Е называются смежными, если они соединены ребром. Чис­ло ребер, инцидентных данной вершине е_i, называется локальной степенью этой вершины р(е_i). Число ребер r графа G(E,U) определя­ется выражением

Множества вершин и ребер части графа являются подмножества­ми вершин и ребер исходного графа

Полным графом называется граф у которого каждая вер­шина соединена ребрами с остальными вершинами

Обязанность графов

Маршрутом графа G называется последовательность ребер в которой каждые два соседних ребра имеют общую вершину, Не исключено, что одно и то же ребро может встречаться несколько раз на одном маршруте.

Две вершины е_i и е_j называются связанными, если существует мар­шрут из е_i в е_j.

Компонентой связности графа называется подмножество его вер­шин с инцидентными им ребрами, такое, что любая вершина свя­зана с любой другой вершиной маршрута. Например, из графа на рис. 3.5 можно выделить следующие две компоненты связанности, показанные сплошной линией.

Простой цепью, или простым путем, называется маршрут, в ко­тором ни одно ребро не повторяется дважды. Элементарной цепью или элементарным путем называется маршрут, в котором ни одна верши­на не повторяется дважды. Циклом в графе называется маршрут, у которого начальная вершина совпадает с конечной.

Цикл, проходящий по всем ребрам графа только один раз, называется эйлеровым циклом. В теории графов доказывается теорема, определяющая, содержит ли граф эйлеров цикл. Оказывается, конечный граф содержит эйлеров цикл тогда и только тогда, когда он свя­зан, и все его локальные степени вершин четные. Важной приклад­ной задачей теории графов является задача поиска в графе цикла, проходящего через каждую вершину только один раз. Такие циклы называются гамильтоновыми циклами.

Путь в орграфе - это последовательность вершин (без повторений), в которой любые две соседние вершины смежны, причем каждая вершина является одновременно концом одной дуги и началом следующей дуги.

Задание графа

Граф может задаваться в виде рисунка, аналитически, в виде матрицы. Выше приводилось задание графа в виде рисунка. Анали­тическое задание состоит в задании элементов множества вершин Е={е₁, е₂, ... е_n} и множества ребер U = {u₁, u₂, ... u_m}.

Для выполнения различного рода формальных преобразований над графами удобно использовать их матричные задания. Матрица А размерностью n ´ n называется матрицей смежности графа G(E,U), если ее элементы образованы по правилу: элемент матрицы а_ij= m, если вершины е_i и е_j соединены m ребрами, и а_ij=0, если эти вершины не связаны ребрами. Матрица смежности имеет число строк и столбцов, равное количеству вершин графа.

Матрица А размерностью n  m называется матрицей инцидент­ности графа G(E,U), если ее элементы образованы по правилу: элемент матрицы b_ij=1, если вершина е_i инцидентна ребру u_j и b_ij=0 в про­тивном случае. Так как каждое ребро инцидентно двум вершинам, то в каждой строке этой матрицы ровно два ненулевых элемента.

1. Дерево - это связный граф без циклов.

2. Дерево - это связный граф, в котором при N вершинах всегда ровно N-1 ребро.

3. Дерево - это граф, между любыми двумя вершинами которого существует ровно один путь.

Аналогичным образом определяется и ориентированное дерево - как орграф, в котором между любыми двумя вершинами существует не более одного пути.

Корневое дерево - это ориентированное дерево, в котором можно выделить вершины трех видов: корень, листья (другое их название: терминальные вершины) и остальные вершины (нетерминальные); причем должны выполняться два обязательных условия:

1. из листьев не выходит ни одна дуга; из других вершин может выходить сколько угодно дуг;

2. в корень не заходит ни одна дуга; во все остальные вершины заходит ровно по одной дуге.

Традиционно в математике и в родственных ей науках (в том числе и в теоретическом программировании) деревья «растут» вниз головой: это делается просто для удобства наращивания листьев в случае необходимости. Таким образом, на рисунках корень дерева оказывается самой верхней вершиной, а листья - самыми нижними.

Предок вершины v - это вершина, из которой исходит дуга, заходящая в вершину v. Потомок вершины v - это вершина, в которую заходит дуга, исходящая из вершины v. В этих терминах можно дать другие определения понятиям корень и лист: у корня нет предков, у листа нет потомков.

Бинарное дерево - это корневое дерево, каждая вершина которого имеет не более двух потомков. В таком случае иногда говорят о левом потомке и правом потомке для текущей вершины.

Высота корневого дерева - это максимальное количество дуг, отделяющих листья от корня. Если дерево не взвешенное, то его высота - это просто расстояние от корня до самого удаленного листа.

Поскольку любое дерево является графом, то его можно задавать любым из способов, перечисленных выше.