Лабораторная работа № .....Графы
1. Основные понятия
В теории графов (graphs) рассматриваются конфигурации из точек – вершин (vertices) и линий – рёбер (edges), соединяющих некоторые из этих точек.
Графом называется совокупность двух множеств: множества вершин V и множества рёбер Е. Множество рёбер можно рассматривать как множество пар вершин вида , где V. Пара соответствует ребру, идущему из вершины в вершину .
Если порядок вершин является существенным, то есть ребра и необходимо различать, то граф называется ориентированным и соответствующие рёбра называются дугами (arcs). Они изображаются линиями со стрелками. В этом случае вершина , стоящая в паре на первом месте, называется начальной (tail – хвост), а другая вершина — конечной (head – голова). В этом случае ребро характеризуют как исходящее из вершины и входящее в вершину . Ориентированный граф сокращённо называется орграфом, по-английски digraph (dimension graph, dimension – направление).
Например, ориентированным графом может выражаться отношение потребления одними заводами продукции других заводов.
Пример. На рис. 1 изображены орграфы с тремя, четырьмя и шестью вершинами.
|
Рис. 1 |
Если порядок упоминания вершин любого ребра несущественен, то граф называется неориентированным.
Например, неориентированным графом может выражаться отношение знакомства друг с другом некоторых студентов из числа собравшихся в аудитории. В этом случае неориентированные ребра графа изображаются линиями без указания направления, то есть без стрелок.
Пример. На рис. 2 изображены неориентированные графы с четырьмя, пятью и семью вершинами.
|
Рис. 2 |
Среди рёбер графа могут встречаться петли вида , соединяющие вершину с нею же самой. На рис. 3 изображен ориентированный граф с петлями в вершинах и .
|
Рис. 3 |
2. Матрица смежности
Матрицей смежности (adjacency matrix) ориентированного графа с множеством вершин называется квадратная матрица размера , состоящая из нулей и единиц. При этом , если граф содержит ребро, исходящее из вершины и входящее в вершину ; если такого ребра нет, то .
Примеры. 1. Матрица смежности ориентированного графа, изображённого на рис. 4, имеет вид
|
A |
B |
C |
D |
A |
1 |
1 |
1 |
0 |
B |
0 |
0 |
0 |
1 |
C |
0 |
0 |
0 |
0 |
D |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
Рис. 4 |
2. Ориентированный граф, заданный матрицей смежности
|
A |
B |
C |
D |
E |
A |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
B |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
C |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
D |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
E |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
имеет вид, изображённый на рис. 5.
|
Рис. 5 |
Аналогично матрицей смежности неориентированного графа с множеством вершин называется матрица , состоящая из нулей и единиц. При этом , если граф содержит ребро, соединяющее вершины и ; если такого ребра нет, то .
Матрица смежности неориентированного графа является симметрической (элементы, расположенные симметрично относительно главной диагонали, совпадают).
Примеры. 1. Матрица смежности неориентированного графа, изображённого на рис. 6, имеет вид
|
A |
B |
C |
D |
E |
F |
G |
H |
K |
A |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
B |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
C |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
D |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
E |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
F |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
G |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
H |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
K |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Рис. 6 |
2. Неориентированный граф, заданный матрицей смежности
|
A |
B |
C |
D |
E |
A |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
B |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
C |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
D |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
E |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
имеет вид, изображённый на рис. 7.
|
Рис. 7 |