1.2. Виды графов

Схема графа, состоящая из «изолированных» вершин, называется нулевым графом. (рис.2)

Графы, в которых не построены все возможные ребра, называются неполными графами. (рис.3)

Графы, в которых построены все возможные ребра, называются полными графами. (рис.4)


Если на ребрах графа нанесены стрелочки, указывающие направление ребер, то такой граф называют направленным.

Стрелка от одной работы к другой на графе, изображенном на рисунке, означает последовательность выполнения работ.

Нельзя начинать монтаж стен, не закончив строить фундамент, чтобы приступить к отделке, нужно иметь на этажах воду и т. д.

Степени вершин и подсчет числа ребер.

Количество рёбер, выходящих из вершины графа, называется степенью вершины. Вершина графа, имеющая нечётную степень, называется нечетной, а чётную степень – чётной.

Если степени всех вершин графа равны, то граф называется однородным. Таким образом, любой полный граф — однородный.

На рисунке 5 изображен граф с пятью вершинами.

Степень вершины А обозначим Ст.А.

На рисунке:
Ст.А = 1, Ст.Б = 2, Ст.В = 3, Ст.Г= 2, Ст.Д= 0.

Сформулируем некоторые закономерности, присущие определенным графам.

Закономерность 1. Степени вершин полного графа одинаковы, и каждая из них на 1 меньше числа вершин этого графа.

Закономерность 2. Сумма степеней вершин графа число четное, равное удвоенному числу ребер графа.

Эта закономерность справедлива не только для полного, но и для любого графа.

ТЕОРЕМА. Число нечетных вершин любого графа четно.

Заметим, что если полный граф имеет n вершин, то количество ребер будет равно n(n-1)/2.

Граф, не являющийся полным, можно дополнить до полного с теми же вершинами, добавив недостающие ребра. Так, например, на рисунке 3 изображен неполный граф с пятью вершинами. На рисунке 4 ребра превращающие граф в полный граф изображены другим цветом, совокупность вершин графа с этими ребрами называется дополнением графа.

Эйлеровы графы.

Граф, который можно нарисовать, не отрывая карандаша от бумаги, называется эйлеровым. (рис.6)

Такими графы названы в честь учёного Леонарда Эйлера.


Закономерность 3. (вытекает из рассмотренной нами теоремы).
Невозможно начертить граф с нечетным числом нечетных вершин.

Закономерность 4. Если все вершины графа четные, то можно не отрывая карандаш от бумаги («одним росчерком»), проводя по каждому ребру только один раз, начертить этот граф. Движение можно начать с любой вершины и закончить его в той же вершине.

Закономерность 5. Граф, имеющий всего две нечетные вершины, можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, при этом движение нужно начать с одной из этих нечетных вершин и закончить во второй из них.

Закономерность 6. Граф, имеющий более двух нечетных вершин, невозможно начертить «одним росчерком».

Фигура (граф), которую можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, называется уникурсальной.

Связные графы.

Граф называется связным, если любые две его вершины могут быть соединены путем, т. е. последовательностью ребер, каждое следующее из которых начинается в конце предыдущего.

На рисунке 7, очевидно, изображен несвязный граф.

Граф называется несвязным, если это условие не выполняется.

Если, например, на рисунке между вершинами Д и Е провести ребро, то граф станет связным.(рис.8)

Такое ребро в теории графов (после удаления которого граф из связного превращается в несвязный) называется мостом.

Примерами мостов на рисунке 7 могли бы служить ребра ДЕ, A3, ВЖ и др., каждое из которых соединяло бы вершины «изолированных» частей графа. (рис.8)

Несвязный граф состоит из нескольких «кусков». Эти «куски» называются компонентами связности графа. Каждая компонента связности является, конечно, связным графом. Отметим, что связный граф имеет одну компоненту связности.

ТЕОРЕМА. Граф является эйлеровым тогда и только тогда, когда он связен и имеет не более двух нечетных вершин.

Деревья.

Деревом называется любой связный граф, не имеющий циклов.

Договорились считать «деревом» и всякий граф, состоящий из одной (изолированной) вершины.

Циклом называется путь, в котором совпадают начало с концом.

Если все вершины цикла разные, то такой цикл называется элементарным (или простым) циклом.

Если же цикл включает в себя все ребра графа по одному разу, то такой цикл называется Эйлеровой линией (рис.9а).

В графе на рис.9б два цикла: 1-2-3-4-1 и 5-6-7-5.

Путем в графе от одной вершины к другой называется такая последовательность ребер, по которой можно проложить маршрут между этими вершинами.

При этом никакое ребро маршрута не должно встречаться более одного раза. Вершина, от которой проложен маршрут, называется началом пути, вершина в конце маршрута — конец пути.

Висячей вершиной называется вершина, из которой выходит ровно одно ребро (рис.10).
(кружком обведены висячие вершины).


Свойство 1. Для каждой пары вершин дерева существует единственный путь, их соединяющий.

Этим свойством пользуются при нахождении всех предков в генеалогическом дереве, например, по мужской линии, любого человека, чья родословная представлена в виде генеалогического дерева, которое является «деревом» и в смысле теории графов.

Свойство 2. Всякое ребро в дереве является мостом.

Действительно, после удаления любого ребра дерева, оно «распадается» на два дерева.

Граф, в котором две любые вершины соединены ровно одним простым путём, является деревом.

ЛЕММА (о висячей вершине). В каждом дереве есть висячая вершина.

ТЕОРЕМА. В дереве число вершин на одну больше числа ребер.

Изоморфизм. Плоские графы и теорема Эйлера.

Два графа называются изоморфными, если у них поровну вершин, и вершины каждого графа можно занумеровать числами от 1 до n, так, чтобы вершины первого графа были соединены ребром тогда и только тогда, когда соединены ребром соответствующие вершины второго графа.

Докажем, что графы изображенные на рисунке 11 изоморфны.

Пронумеруем вершины первого и второго графов от 1 и до 4 (рис.12).


В первом графе соединены вершины 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 2 и 4; заметим, что во втором графе также соединены вершины 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 2 и 4, следовательно, данные графы изоморфны.

Для того, чтобы выяснить, изоморфны ли два графа, нужно убедиться в том, что у них:

• одинаковое количество вершин
• если вершины одного графа соединены ребром, то и соответствующие им вершины другого графа тоже соединены ребром.

Граф, который можно нарисовать так, чтобы его рёбра не пересекались нигде, кроме вершин, называются плоским или планарным.

ТЕОРЕМА Эйлера. Для правильно нарисованного связного плоского графа имеет равенство: V-E+F=2, где V – число вершин, E - число рёбер, F – число кусков.(равенство V -E+F=2 обычно называют формулой Эйлера).

Граф, каждая вершина которого соединена с ребром любой другой вершины, называется полным.

ТЕОРЕМА Понтрягина – Куратовского. Граф является плоским тогда и только тогда, когда он не содержит (в топологическом смысле) графа с шестью вершинами типа «домики-колодцы» и полного графа с пятью вершинами.

(В основном используется в старинных задач о домах и колодцах, суть которой сводится к выяснению вопроса — является ли рассматриваемый граф плоским или нет, рис.13)

Ориентированные графы.

Существуют значительные классы практических задач, которые решить с помощью ранее рассмотренных типов графов невозможно.

Так, например, схема дорог и площадей города изображается с помощью плоского графа. Но если нужно этой схемой воспользоваться с целью проезда по городу на автомашине, а движение на отдельных (или на всех) улицах одностороннее?

Тогда могут помочь сориентироваться в этой ситуации стрелки, расположенные, например, прямо на ребрах - улицах рассматриваемой схемы (графа) города.

Граф, на рёбрах которого расставлены стрелки, называется ориентированным.

Степенью выхода вершины ориентированного графа называется число ребер, для которых эта вершина является началом (число ребер, «выходящих» из вершины).

Степенью входа вершины ориентированного графа называется число ребер, для которых эта вершина является концом (число ребер, «входящих» в вершину).

Так, на рисунке 15 изображен ориентированный граф АБВГД. Степени входа и выхода некоторых его вершин такие:
Ст.вх.А=2, Ст.вых.А=1 Ст.вх.В=2, Ст.вых.В=0 Ст.вх.Д=1, Ст.вых.Д=3.

Путем, в ориентированном графе от вершины А1 к вершине An называется последовательность ориентированных ребер A1A2, A2A3, ..., Аn-1Аn, в которой конец каждого предыдущего ребра совпадает с началом следующего и каждое ребро встречается в этой последовательности только один раз.

На рисунке.15 показаны примеры путей в ориентированном графе. Причем, первые два пути простые — ни одна из вершин не содержится в нем более одного раза. Третий путь не является простым ,т. к. через вершину Г путь «проходил» дважды.

Ориентированным циклом называется замкнутый путь в ориентированном графе.

На рисунке 15 приведены примеры ориентированных циклов в последних двух графах. Цикл, как и любой другой путь в графе, имеет длину, которая определяется числом ребер в этом пути.

Так, на рисунке 16 пути от А к Д могут быть различны и иметь различную длину.
Первый путь имеет длину 2, второй - 3,
а третий — 4.

Длина «кратчайшего пути» между двумя вершинами называется расстоянием между ними. Так расстояние между вершинами А и Д на графе рисунка 16 равно 2; записывают так: S(АД)=2.

Если в ориентированном графе нельзя «пройти» от одной вершины до другой, то расстояние между ними называют бесконечным(обозначают значком бесконечности). Так, расстояние между вершинами Б и Д графа, представленного на рисунке 17 бесконечно: S(БД) = ∞

Ориентированные графы в экономике активно используются в сетевом планировании, в математике — в теории игр, теории множеств; при решении многих задач, в частности, комбинаторных.