Теория Алгоритмов ЛР 2015

31

5 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 АЛГОРИТМИ ДЛЯ РОБОТИ З ГРАФАМИ. АЛГОРИТМИ ОБХОДУ ГРАФІВ

5.1 Мета роботи

5.1.1 Вивчити алгоритми обходу графів на основі пошуку в ширину та на основі пошуку в глибину.

5.1.2 Навчитися застосовувати алгоритми обходу графів для розв’язання практичних задач.

5.2 Основні теоретичні відомості

Граф – це сукупність двох скінченних множин: множини точок та множини ліній, що попарно з’єднують деякі з цих точок.

Множина точок формує вершини (вузли) графа. Множина ліній, що з’єднують вершини графа, формує ребра (дуги) графа.

Приклад графічного зображення графа наведено на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – Приклад графа

Найбільш розповсюдженими способами зображення графів є:

–списки суміжних вершин;

–матриця суміжності.

Для обходу графів існують два основні алгоритми:

–пошук в глибину;

–пошук в ширину.

Алгоритм пошуку в ширину в процесі обходу графа виконує обхід всіх вершин на відстані k перед тим, які перейти до пошуку вершин на відстані k+1.

32

Для відслідковування роботи алгоритму пошук в ширину розфарбовує вершини графа в кольори: білий, сірий та чорний. Спочатку вершини мають білий колір. Після того, як під час пошуку вершина досягається в перший раз, вона фарбується у сірий колір. Далі в процесі пошуку вершина фарбується в чорний колір.

Алгоритм пошуку в глибину орієнтований на те, щоб під час пошуку заглиблюватися в граф на стільки, на скільки це можливо. Пошук в глибину досліджує всі ребра, що виходять з вершини, яка була відкрита останньою, і залишає вершину тільки тоді, коли не залишається недосліджених ребер – в такому випадку пошук повертається у вершину, з якої була досягнута дана вершина.

Аналогічно пошуку в ширину пошук в глибину розфарбовує вершини графа в білий, сірий та чорний кольори.

Окрім безпосередньо обходу ребер графа та відвідування всіх вершин алгоритми пошуку в глибину та ширину корисні під час дослідження ряду важливих властивостей графів.

Сильно зв’язним компонентом орієнтованого графа називають максимальну множину вершин даного графа, для кожної пари яких справедливо, що вони досяжні одна з одної.

Для виконання пошуку сильно зв’язних компонент необхідно транспонувати заданий граф, тобто перетворити напрям ребер графа на протилежний.

Сам алгоритм пошуку сильно зв’язних компонент складається з двох пошуків у глибину:

–у початковому графі для обчислення часу завершення роботи з кожною вершиною;

–у транспонованому, де вершини розглядаються в порядку зменшення отриманих під час першого пошуку значень часу завершення роботи з кожною вершиною.

У такому випадку кожне дерево лісу пошуку в глибину, отримане під час другого пошуку, буде окремим сильно зв’язним компонентом.

5.3 Завдання на лабораторну роботу

5.3.1 Ознайомитися з літературою та основними теоретичними відомостями, необхідними для виконання роботи.

33

5.3.2Розробити програмне забезпечення, в якому реалізується алгоритм обходу графу на основі пошуку в глибину. Передбачити, що граф може бути як орієнтований, так і неорієнтований. В процесі пошуку має бути сформовано ліс пошуку в глибину. Для реалізації має використовуватися стек. Програмне забезпечення має бути побудовано на основі відповідного класу, який повинен дозволяти визначати граф, виконувати пошук в глибину, виводити побудований ліс пошуку в глибину, виводити результат обходу тощо.

5.3.3Розробити програмне забезпечення, в якому реалізується алгоритм обходу графу на основі пошуку в ширину. Передбачити, що граф може бути як орієнтований, так і неорієнтований. В процесі пошуку має бути сформовано дерево пошуку в ширину. Для реалізації має використовуватися черга. Програмне забезпечення має бути побудовано на основі відповідного класу, який повинен дозволяти визначати граф, виконувати пошук в ширину, виводити побудоване дерево пошуку в ширину, виводити результат обходу тощо.

5.3.4Виконати тестування розробленого програмного забезпечення.

5.3.5Використовуючи розроблене програмне забезпечення, розробити окремі модулі, які використовуються для розв’язання задач

увідповідності з індивідуальним завданням і реалізують інтерфейсну взаємодію користувача з програмою, та виконати відповідне тестування. Обґрунтувати вибір алгоритму обходу графа для кожної задачі, де це не задано явно.

Варіант № 1 А. Перевірити, чи є заданий граф зв’язним чи ні. Зв’язним

вважають граф, у якому між будь-якою парою вершин існує щонайменше один шлях.

Б. Селянин привів на берег річки козла, двох вовків, собаку та приніс капусту. На березі річки знаходиться човен, який вміщує тільки три об’єкти: селянина і двох тварин, або селянина, тварину і капусту. При цьому вовка не можна лишати разом з козлом та собакою, собаку – з козлом, а козла – з капустою. Визначити, яким чином селянину перевезти всіх тварин і капусту на інший берег, щоб продовжити свій шлях.

В. Гемптон-Кортський лабіринт площею у 60 акрів привертає увагу багатьох туристів. Ваш товариш перед тим, як потрапити до одного з таких лабіринтів і продемонструвати свої здібності, вирішив

34

вивчити план лабіринту та запитав Вас про допомогу, яким чином знайти шлях у лабіринті. Змоделюйте лабіринт за допомогою вершин, що відповідають входу в лабіринт, виходу, глухим кутам, всім точкам лабіринту, в яких є можливість вибору шляху, та з’єднань даних вершин ребрами, що відповідають шляхам у лабіринті.

Варіант № 2 А. У заданому користувачем графі поставлено у відповідність

кожній вершині деяке ціле число (може бути як від’ємним, так і додатним). Визначити такі шляхи між парами вершин, які в результаті додавання всіх чисел з кожної вершини дозволяють отримати задане користувачем значення.

Б. У заданому графі пронумерувати вершини у відповідності з порядком обходу в глибину, визначити кількість ребер даного графа та кількість його вершин. Обчислити середню щільність графа у вигляді частки від ділення кількості ребер графа на кількість його вершин.

В. У квадратній коробці, що складається з чотирьох чарунок за горизонталлю і чотирьох чарунок за вертикаллю, лежать 15 пронумерованих кубиків. Кубики на початку перемішані деяким чином, тобто їх позиції та вільна чарунка визначені випадковим чином. Пересуваючи тільки один кубик за раз, необхідно отримати розташування, коли незайнятою у коробці буде задана користувачем позиція (наприклад, крайній нижній кут).

Варіант № 3 А. Користувач визначає граф, задає вершину даного графа та

деяку відстань. Визначити перелік всіх вершин графа, які знаходяться на заданій відстані від заданої вершини.

Б. Задано деякий набір арифметичних операцій (наприклад, додати 3, помножити на 2), які можуть бути виконані над операндом. Визначити мінімальний набір операцій, за допомогою якого можна отримати з одного заданого числа а число b. Якщо таке перетворення за допомогою заданого користувачем набору операцій виконати неможливо, то вивести відповідне повідомлення.

В. Виконати розкладання заданого орієнтованого графа на сильно зв’язні компоненти.

35

Варіант № 4 А. Знайти мінімальний шлях між двома заданими вершинами у

графі. Визначити довжину такого шляху та всі вершини, через які він проходить.

Б. Виконати класифікацію ребер графа на ребра дерева, зворотні ребра, прямі ребра та перехресні ребра. Визначити, чи є заданий орієнтований граф ациклічним.

В. Визначити порядок, за яким мають бути прочитані дисципліни під час навчання однієї з академічних груп. Моделювання виконати за допомогою графа, вершини якого представляють дисципліни, а орієнтовані ребра позначають вимоги до дисциплін (наприклад, курс C має бути прочитаний перед курсами A і B, а курс D – після курсу А тощо).

Варіант № 5 А. Неорієнтований граф, у кожній вершині якого зберігаються

натуральні числа, задано користувачем. Визначити, скільки в даному графі є пар взаємно простих чисел (тобто чисел, які не мають ніяких спільних дільників крім одиниці), розташованих у вершинах графа, що з’єднані ребрами.

Б. Два коня різного кольору розташовані на шаховій дошці: координати задаються користувачем. Всі інші чарунки шахової дошки вільні. Визначити кількість кроків кожного гравця, в результаті виконання яких коні виявляться в одній чарунці.

В. Перетворити задане користувачем слово A у слово B, створюючи при цьому ланцюжок перетворень. У кожному такому перетворенні змінюється тільки одна буква слова на іншу. При цьому всі слова мають існувати у відповідній мові. Використати перелік слів з орфографічного словника для побудови графа, у якому програмно визначити ребра, які мають з’єднувати вершини тільки у тому випадку, якщо з одного слова можна отримати інше заміною однією літери.

5.3.6Порівняти одержані результати виконаних тестів, провести аналіз вірності, коректності та адекватності роботи розробленого програмного забезпечення.

5.3.7Оформити звіт з роботи.

5.3.8Відповісти на контрольні запитання.

36

5.4 Зміст звіту

5.4.1Мета роботи.

5.4.2Завдання до роботи.

5.4.3Опис та обґрунтування використання алгоритмів, за допомогою яких розв’язано індивідуальне завдання.

5.4.4Текст розробленого програмного забезпечення з коментарями.

5.4.5Результати роботи програмного забезпечення.

5.4.6Висновки, що відображають особисто отримані результати виконання роботи, їх критичний аналіз.

5.5 Контрольні запитання

5.5.1Які існують способи зображення графів та яким чином вони пов’язані між собою?

5.5.2У чому полягає алгоритм обходу графа на основі пошуку в

ширину?

5.5.3У чому полягає алгоритм обходу графа на основі пошуку в

глибину?

5.5.4Що таке дерево пошуку в ширину та яким чином його сформувати?

5.5.5Що таке ліс пошуку в глибину та яким чином його сформувати?

5.5.6Яким чином розфарбовуються вершини графа під час обходу графа?

5.5.7Яким чином від виду або способу зображення графа залежить ефективність алгоритмів пошуку в глибину і в ширину?

5.5.8Чи є вимогливим до ресурсів алгоритм пошуку в ширину?

5.5.9Яким чином під час реалізації в коді програми виконується повернення з тупикових вершин під час обходу графа?

5.5.10Які структури даних використовуються для реалізації кожного алгоритму обходу графів?

37

6 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 АЛГОРИТМИ ДЛЯ РОБОТИ З ГРАФАМИ. АЛГОРИТМИ ПОШУКУ НАЙКОРОТШИХ ШЛЯХІВ

6.1 Мета роботи

6.1.1 Вивчити основні алгоритми пошуку найкоротшого шляху в графах: алгоритми Дейкстри, Флойда-Воршелла та Беллмана-Форда.

6.1.2 Навчитися застосовувати алгоритми пошуку найкоротшого шляху в графі для розв’язання практичних задач.

6.2 Основні теоретичні відомості

Алгоритм пошуку в ширину є алгоритмом пошуку найкоротшого шляху в незваженому графі, тобто в графі, кожному ребру якого відповідає одинична вага. Алгоритми Дейкстри, Беллмана-Форда та Флойда-Воршелла дозволяють працювати з графами, ребра яких мають не одиничну вагу.

Алгоритми пошуку найкоротших шляхів зазвичай ґрунтуються на твердженні, що найкоротший шлях між двома вершинами містить в собі інші найкоротші шляхи.

Алгоритм Дейкстри дозволяє виконувати пошук найкоротших шляхів з однієї вершини до всіх інших вершин у зваженому орієнтованому графі. Даний алгоритм знаходить найкоротші шляхи до вершин графа в порядку їх віддаленості від вихідної вершини, тобто спочатку знаходиться найкоротший шлях від вихідної вершини до найближчої, потім до другої найближчої тощо. Таким чином, перед початком i-ої ітерації алгоритм визначає найкоротші шляхи до (i – 1)- ої вершин, найближчих до вихідної. Дані вершини, вихідна вершина та ребра найкоротших шляхів утворюють піддерево даного графа. Чергова найближча до вихідної вершина може бути знайдена серед вершин, суміжних з отриманим піддеревом: для кожної суміжної вершини обчислюється сума відстаней до найближчої вершини дерева, після чого обирається вершина з найменшою сумою.

Алгоритм Беллмана-Форда дозволяє виконувати пошук найкоротших шляхів з однієї вершини до всіх інших вершин у

38

випадку, коли вага кожного з ребер може бути від’ємною. Алгоритм повертає логічне значення, яке вказує, чи міститься в графі цикл з від’ємною вагою, що досягається з джерела. Якщо такий цикл існує, то алгоритм вказує на те, що рішення не існує. Якщо таких циклів не існує, то алгоритм повертає найкоротші шляхи та їх ваги.

Алгоритм Флойда-Воршелла призначений для пошуку найкоротшого шляху між всіма парами вершин. Даний алгоритм може бути реалізовано за допомогою обчислення матриці відстаней зваженого графа шляхом послідовних обчислень. Кожна матриця на відповідному кроці містить довжини найкоротших шляхів між будьякими двома вершинами, при чому кількість проміжних вершин у них не може перевищувати відповідний номер поточного кроку.

6.3 Завдання на лабораторну роботу

6.3.1Ознайомитися з літературою та основними теоретичними відомостями, необхідними для виконання роботи.

6.3.2Розробити програмне забезпечення, в якому реалізується алгоритм Дейкстри на основі виділення відповідного класу для виконання всіх необхідних обчислень, визначення параметрів (в тому числі безпосередньо визначення графа) та отримання результатів.

6.3.3Розширити функціональність розробленого програмного забезпечення за допомогою реалізації алгоритму Флойда-Уоршелла на основі відповідного класу, який повинен забезпечувати виконання операцій аналогічних п. 6.3.2.

6.3.4Розширити функціональність розробленого програмного забезпечення за допомогою реалізації алгоритму Беллмана-Форда на основі відповідного класу, який повинен забезпечувати виконання операцій аналогічних п. 6.3.2.

6.3.5Виконати тестування розробленого програмного забезпечення.

6.3.6Використовуючи розроблене програмне забезпечення, розробити окремі модулі, які використовуються для розв’язання задач

увідповідності з індивідуальним завданням і реалізують інтерфейсну взаємодію користувача з програмою, та виконати відповідне тестування. Вибір методів розв’язання задач обґрунтувати (якщо можливо застосувати декілька методів, то застосувати їх).

39

Варіант № 1 А. Арбітражні операції дозволяють використовувати різницю в

поточному курсі валюти для перетворення одиниці валюти у більшу кількість одиниць тієї ж валюти. Вхідні дані задаються таблицею обмінних курсів, яка визначає, скільки за одну одиницю однієї валюти можна купити одиниць іншої валюти. Знайти для заданої користувачем валюти найвигіднішу можливість виконання таких арбітражних операцій. Необхідні перетворення можна виконати за допомогою логарифмування.

Б. Компанія забезпечує інтернет-підключення користувачів за допомогою оптичного кабелю. Для підключення нових абонентів було сформовано граф, який представляє можливі траси оптичного з’єднання. На графі ребрами представлені кабельні канали, а вершинами – місця, де є можливість вибору подальшого напрямку прокладення кабелю. Визначити трасу, яка з’єднає дві задані точки на мапі і буде мати при цьому найменшу довжину.

В. Враховуючи, що граф, описаний у завданні А, представляє можливості з’єднання району з існуючими магістральними лініями, визначити всі найкоротші шляхи всередині графу.

Варіант № 2

А. Розв’язати задану систему різницевих обмежень з n невідомими та m нерівностями вигляду

xi − x j ≤ q,

...

xk − xl ≤ h.

Б. Комп’ютерна мережа складається з серверів, маршрутизаторів, окремих комп’ютерів і пристроїв та може бути представлена у вигляді графа. Час пересилання одного пакету між вузлами для кожного фізичного з’єднання в мережі визначається користувачем. Передбачити, що деякі ділянки можуть бути тимчасово недосяжними. Визначити найкращий шлях, яким можна передати пакети в даній мережі від заданого джерела до заданого приймача. В якості основного використати алгоритм Дейкстри.

40

В. Визначити оптимальні маршрути для всіх вузлів у мережі, визначеній завданням А.

Варіант № 3 А. Мапа визначає авіасполучення між містами Північної

Америки. Кожний переліт з однієї точки на мапі в іншу має деяку мінімальну вартість, при чому зворотній рейс може коштувати іншу суму. Мандрівник хоче визначити авіапереліт між заданими містами, який має мінімальну вартість, розглядаючи зокрема і варіанти з пересадками. При цьому мандрівник має дисконтну програму з деякими авіаперевізниками, за якою ціна на деякі рейси може бути для нього знижена на деяку постійну суму (тобто вартість деяких рейсів може виявитися для нього прибутковою, в такому разі сума накопичується на окремому його рахунку).

Б. Визначити найкоротший шлях, яким можна дістатися з Запоріжжя до Львова, використовуючи дані про перетин доріг на мапі України, представлені у вигляді графа.

В. Визначити найкоротші шляхи між будь-якими парами міст, селищ, транспортних вузлів України, використовуючи мапу, побудовану в завданні А.

Варіант № 4 А. Комп’ютерна мережа складається з серверів,

маршрутизаторів, окремих комп’ютерів і пристроїв та може бути представлена у вигляді графа. Середній час пересилання одного пакету між вузлами для кожного фізичного з’єднання в мережі визначається за допомогою швидкості передачі даних та завантаженості даної ділянки, які задаються користувачем. Визначити найкращий шлях, яким можна передати пакети в даній мережі від заданого джерела до заданого приймача. В якості основного використати алгоритм Беллмана-Форда.

Б. На мапі, представленій у вигляді графа, визначені аеропорти Європи. Для кожного існуючого перельоту між аеропортами визначено його вартість, при цьому вартість перельоту з аеропорту А в аеропорт В може не дорівнювати вартості перельоту з аеропорту В у аеропорт А. Визначити маршрут мінімальної вартості з Києва до Стокгольма, розглядаючи як прямі авіарейси, так і з пересадками.

В. Розглядаючи завдання А, знайти найдешевші перельоти між будь-якими парами міст із заданого графа аеропортів Європи.