Лекция №5

Тема: Алгебраические действия общего типа

План:

1. Основные определения теории графов.

2. Способы задания графов.

3. Теоремы о степенях вершин и изоморфизм графов

4. Подграфы.

5. Операции над графами.

1. Основные определения теории графов

Граф – математический объект, описываемый двумя множествами: G=( V, E ), где V – так называемое множество вершин, а E – множество дуг.

Элементами множества дуг являются упорядоченные пары вершин, т.е. E={ ( a, b): aV, bV }, т.о. множество Е является подмножеством декартова произведения VV. Порядок вершин в парах может и не учитываться, тогда элементы множества Е называют ребрами, а сам граф – неориентированным графом, в противном случае – ориентированным или Орграфом. В некоторых случаях рассматриваются так называемые смешанные графы, в них множество Е состоит из элементов обоих видов: дуг и ребер.

Обозначим вершины v₁, v₂, v₃, , а ребра e₁, e₂, e₃, . Вершины v_i и v_j, определяющие ребро e_k, называются концевыми вершинами ребра e_k=(v_i, v_j), а в случае орграфа – началом и концом дуги e_k соответственно. Говорят также, что ребро e_k (дуга) инцидентно вершинам v_i, v_j или, что вершины v_i, v_j инцидентны ребру (дуге) e_k. Такие вершины называют смежными. Ребра называют смежными в случае, когда они имеют общую концевую вершину. Например, e_k=(v_i, v_j) и e_m=(v_i, v_l) – смежные ребра.

В множестве ребер графа допускается более, чем одно ребро с одинаковыми концевыми вершинами. Такие ребра называются параллельными или кратными. Например: e_k=(v_i, v_j) и e_m=(v_i, v_j) – кратные ребра.

Если обе концевые вершины ребра совпадают, то такое ребро называется петлей. Например: e_k=(v_i, v_i) – петля.

Граф без петель и параллельных ребер называется простым, в противном случае – мультиграфом.

Граф, не имеющий ребер, называется пустым, а не имеющий вершин (а значит и ребер) – нуль‑графом.

Простой граф, у которого любая пара вершин смежна, называется полным.

Количество вершин в графе называется порядком графа.

Степенью или валентностью вершины называется число инцидентных ей ребер. Будем обозначать степень вершины v_i – deg(v_i). Вершина нулевой степени называется изолированной. Вершина степени 1 называется висячей, а ребро, инцидентное ей, называется висячим ребром. Заметим, что петля добавляет двойку к степени вершины.

2. Способы задания графов

Рассмотрим три способа задания графов: графический, аналитический и матричный.

1) Графический способ.

Вершины изображают точками на плоскости, а ребра – линиями, соединяющими соответствующие точки. Для изображения дуги используется линия со стрелкой, указывающей направление от начала к концу дуги.

Н а рисунке 12 изображен смешанный граф с вершинами v₁, v₂,, v₆, ребрами e₁, e₂, e₃, e₅ и дугой e₄. Смежные вершины v₁, v₂, инциденты ребру e₁. Вершины v₁, v₃, инциденты параллельным ребрам e₂ и e₃. Вершине v₄ инциденты петля e₅ и дуга e₄, причем v₄ является началом дуги e₄, а v₅ – концом этой дуги. Степень вершины v₁ равна 3, вершины v₂ – 1, вершины v₃ – 2, вершины v₄ – 3, вершины v₅ – 1, вершины v₆ – 0. Таким образом, вершины v₂ и v₅ – висячие, а вершина v₆ – изолированная. В случае дуги e₄ точнее было бы говорить о полустепенях исхода и захода вершин v₄ и v₅, а именно: полустепень исхода вершины v₄ равна 3, вершины v₅ – 0, полустепень захода вершины v₄ равна 2, вершины v₅ – 1.

2) Аналитический способ.

Граф задают перечислением элементов множества вершин и множества ребер. Для графа, изображенного на рисунке 12, эти множества: V={v₁, v₂, v₃, v₄, v₅, v₆} и Е={e₁, e₂, e₃, e₄, e₅}, где e₁=(v₁, v₂), e₂=(v₁, v₃), e₃=(v₁, v₃), e₄=(v₄, v₅), и e₅=(v₄, v₄).

3) Матричный способ.

Имеется несколько вариантов задать граф матрицей. Наиболее употребимыми являются матрица инциденций и матрица смежности.

а) Матрица инциденций – это прямоугольная матрица, число строк которой равно числу вершин, а число столбцов – числу дуг (ребер) графа. Элементы этой матрицы определяются следующим образом:

Таким образом, для графа на рисунке 12 матрица инциденций такова:

		e1	e2	e3	e4	e5
	v1	1	1	1	0	0
	v2	1	0	0	0	0
I=	v3	0	1	1	0	0
	v4	0	0	0	1	1
	v5	0	0	0	-1	0
	v6	0	0	0	0	0

По этой матрице легко судить о наличии в графе параллельных ребер (два одинаковых столбца), петли (одна единица в столбце), дуги (значения разных знаков в столбце), изолированной вершины (нулевая строка), висячих вершин (одно ненулевое значение в строке).

б) Матрица смежности вершин – это квадратная матрица, размер которой определяется числом вершин в графе. Элементы этой матрицы определяются так: . Если в графе имеются параллельные ребра, то соответствующий элемент матрицы смежности полагают равным числу этих ребер. Так матрица смежности для графа на рисунке 12 такова:

		v1	v2	v3	v4	v5	v6
	v1	0	1	2	0	0	0
	v2	1	0	0	0	0	0
S=	v3	2	0	0	0	0	0
	v4	0	0	0	1	1	0
	v5	0	0	0	0	0	0
	v6	0	0	0	0	0	0

По виду этой матрицы также несложно судить о наличии в графе кратных ребер, дуг, петель, висячих и изолированных вершин.