Эйлеровы графы

ПОМОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова КУРСОВАЯ РАБОТА

ЭЙЛЕРОВЫ ГРАФЫ

 

 Выполнила студентка 4 курса

42 группы математического

факультета Катышева Н.Г.

 Научный руководитель:

Токаревская С.А.

Архангельск

2004

Оглавление

Введение............................................................................................. 3

Глава 1. Теоретическая часть............................................................ 4

Основные понятия теории графов..................................................... 4

Маршруты и связность...................................................................... 6

Задача о кёнигсбергских мостах.................................................... 7

Эйлеровы графы............................................................................... 9

Оценка числа эйлеровых графов.................................................... 13

Алгоритм построения эйлеровой цепи в данном эйлеровом графе. 14

Глава 2. Практическая часть........................................................... 15

Заключение....................................................................................... 24

Литература....................................................................................... 25

Введение

 

Первая работа по теории графов, принадлежащая известному швейцарскому математику Л.Эйлеру, появилась в 1736г. Вначале теория графов казалась довольно незначительным разделом математики, так как она имела дело в основном с математическими развлечениями и головоломками. Однако дальнейшее развитие математики и особенно её приложений дало сильный толчок развитию теории графов. Уже в XIX столетии графы использовались при построении схем.

В настоящее время эта теория находит многочисленное применение в разнообразных практических вопросах: при установлении разного рода соответствий, при решении транспортных задач, задач о потоках в сети нефтепроводов, в программировании и теории игр, теории передачи сообщений. Теория графов теперь применяется и в таких областях, как экономика, психология и биология.

В этой работе мы подробнее рассмотрим эйлеровы графы, основные сведения и теоремы, связанные с этим понятием. А также задачи, которые решаются с помощью эйлеровых графов.

Глава 1. Теоретическая часть.   Основные понятия теории графов

 

Граф G – пара (V,X), где V конечное непустое множество, содержащее p вершин, а множество Х содержит q неупорядоченных пар различных вершин из V.

Каждую пару X={u,v} вершин в Х называют ребром графа G и говорят, что Х соединяет u и v.Мы будем писать X=uv и говорить, что u и v – смежные вершины. Вершина u и ребро Х инцидентны, так же как v и Х. Если два различных ребра X и Y инцидентны одной и той же вершине, то они называются смежными. Граф с р вершинами и q ребрами называется (p;q)- графом. Граф (1,0)- называется тривиальным.[6]

Если элементом множества V может быть пара одинаковых элементов u, то такой элемент множества V называется петлёй.[3]

Типы графов:

·  Мультиграф, в нём не допускаются петли, но пары вершин могут соединяться более чем одним ребром, эти рёбра называются кратными (рис.1).

·  Псевдограф, в нём допускаются петли и кратные рёбра (рис.2).

Рис.1 Рис.2

·  Ориентированный граф, или орграф, состоит из конечного непустого множества V вершин и заданного набора Х упорядоченных пар различных вершин. Элементы из Х называются ориентированными рёбрами, или дугами. Нет петель и кратных дуг (рис. 3).

		Рис.3				Рис.4

·  Направленный граф – это орграф, не имеющий симметричных пар ориентированных рёбер (рис.4).

·  Помеченные графы (или перенумерованные), если его вершины отличаются одна от другой какими-либо пометками. В качестве пометок обычно используются буквы или целые числа.[6]

Степенью вершины v_i в графе G называется число рёбер, инцидентных v_i ,обозначается d_i.[6] Для орграфа вводятся понятия степени входа и выхода. Степенью выхода вершины v называется количество рёбер, для которых v является начальной вершиной, обозначается outdeg(v). Степенью входа вершины v называется количество рёбер , для которых v является конечной вершиной, обозначается indeg(v). Если indeg(v)=0, то вершина v называется источником. Если outdeg(v)=0, то вершина v называется стоком.[1]

  Маршруты и связность

 

Граф G^/(U^/,V^/) называется подграфом графа G(U,V), если U^/ÌU и V^/ÌV. Обозначение: G^/ÌG.

Если V^/=V, то G^/ называется остовным подграфом G.[3]

Маршрутом в графе G называется чередующаяся последовательность вершин и рёбер v₀,x₁,v₁,…v_n-1,x_n,v_n; эта последовательность начинается и кончается вершиной, и каждое ребро последовательности инцидентно двум вершинам, одна из которых непосредственно предшествует ему, а другая непосредственно следует за ним. Указанный маршрут соединяет вершины v₀  и v_n и его можно обозначить v₀v₁v₂…v_n  (наличие рёбер подразумевается). Эта последовательность иногда называется (v₀-v_n)-маршрутом. Маршрут замкнут, если v₀=v_n, и открыт в противном случае. Маршрут называется цепью, если все его рёбра различны, и простой цепью, если все вершины (а следовательно, и рёбра ) различны. Замкнутая цепь называется циклом. Замкнутый маршрут называется простым циклом, если все его n вершин различны и n³3.

Граф G называется связным, если любая пара его вершин соединена простой цепью.[6]

 

Задача о кёнигсбергских мостах.

 

Отцом теории графов является Эйлер (1707-1782), решивший в 1736г. широко известную в то время задачу, называвшуюся проблемой Кёнигсбергских мостов. В городе Кёнигсберге (ныне Калининград) было два острова, соединенных семью мостами с берегами реки Преголя и друг с другом так, как показано на рисунке 5. Задача состояла в следующем: найти маршрут прохождения всех четырёх частей суши, который начинался бы с любой из них, кончался бы на этой же части и ровно один раз проходил по каждому мосту.

Рис.5.

Легко, конечно попытаться решить эту задачу эмпирически, производя перебор всех маршрутов, но все попытки окончатся неудачей. Исключительный вклад Эйлера в решение этой задачи заключается в том, что он доказал невозможность такого маршрута.

Для доказательства того, что задача не имеет решения, Эйлер обозначил каждую часть суши точкой (вершиной), а каждый мост – линией (ребром), соединяющей соответствующие точки. Получился “граф”. Этот граф показан на рисунке 6, где точки отмечены теми же буквами, что и четыре части суши на рисунке 5.

Рис.6.

Утверждение о не существовании “положительного” решения у этой задачи эквивалентно утверждению о невозможности обойти специальным образом граф, представленный на рисунке 6.

Отправляясь от этого частного случая Эйлер обобщил постановку задачи и нашёл критерий существования обхода у данного графа, а именно граф должен быть связным и каждая его вершина должна быть инцидентна чётному числу рёбер.[6]

 

Эйлеровы графы

 

Решение Эйлером задачи о Кёнигсбергских мостах привела к первой опубликованной работе по теории графов. Задачу об обходе мостов можно обобщить и получить следующую задачу теории графов: можно ли найти в данном графе G цикл, содержащий все вершины и все рёбра? Граф, в котором это возможно, называется эйлеровым. Таким образом, эйлеров граф имеет эйлеров цикл – замкнутую цепь, содержащую все вершины и все рёбра. Ясно, что эйлеров граф должен быть связным.[6]

Если снять ограничения на замкнутость цепи, то граф называется полуэйлеровым.

Теорема 1(критерий):

Граф с более чем одной вершиной имеет эйлеров цикл тогда и только тогда, когда он связный и каждая его вершина имеет чётную степень.

Доказательство: Предположим, что граф G имеет эйлеров цикл. Граф является связным, так как каждая вершина принадлежит циклу. Для всякой вершины v графа G каждый раз, когда эйлеров цикл проходит через v, он вносит 2 в степень v. Поэтому степень v чётная.

Обратно, нужно показать, что каждый связный граф, у которого степени вершин чётные, имеет эйлеров цикл. Докажем эту теорему, используя индукцию по числу вершин. Поскольку теорема тривиально справедлива при n£3, начнём индукцию с n=3. Предположим, что каждый связный граф, имеющий менее k вершин, и все вершины которого обладают чётной степенью, содержит эйлеров цикл. Пусть G – связный граф, содержащий k вершин, степени которых чётные. Допустим, что v₁ и v₂  - вершины графа G. Поскольку граф G – связный, существует путь из v₁ в v₂ .Поскольку степень v₂ – чётная, существует неиспользованное ребро, по которому можно продолжить путь. Поскольку граф конечный, то путь, в конце концов, должен вернуться в v₁ , и эйлеров цикл С₁  можно считать построенным. Если С₁ является эйлеровым циклом для G, тогда доказательство закончено. Если нет, то пусть G^/  - подграф графа G, полученный удалением всех рёбер, принадлежащих С₁. Поскольку С₁ содержит чётное число рёбер, инцидентных каждой вершине, каждая вершина подграфа G^/  имеет чётную степень.

Пусть e – ребро графа G^/ , пусть G_e – компонента графа G^/ , содержащая е. Поскольку G^/  имеет менее, чем k, вершин, и у каждой вершины графа G^/  чётная степень, граф G^/  имеет эйлеров цикл. Пусть С₂ . Далее у С₁ и С₂  имеется общая вершина, допустим, а. Теперь можно продолжить эйлеров цикл, начиная его в а, пройти С₁ , вернуться в а, затем пройти С₂ и вернуться в а. Если новый эйлеров цикл не является эйлеровым циклом для G, продолжаем использовать этот процесс, расширяя наш эйлеров цикл, пока, к конце концов, не получим эйлеров цикл для G.[1]

Из теоремы 1 следует, что если в связном графе G нет вершин с нечётными степенями, то в G есть замкнутая цепь, содержащая все вершины и все рёбра графа G. Аналогичный результат справедлив для связных графов, имеющих некоторое число вершин с нечётными степенями.

Следствие 1(а): Пусть G- связный граф, в котором 2n вершин имеют нечётные степени, n>1. Тогда множество рёбер графа G можно разбить на n открытых цепей.

Следствие 1(б): Пусть G- связный граф, в котором две вершины имеют нечётные степени. Тогда в G есть открытая цепь, содержащая все вершины и все рёбра графа G (и начинающаяся в одной из вершин с нечётной степенью, а кончающаяся в другой).[6]

Эйлеровым путём в графе называется путь, содержащий все рёбра графа. Эйлеров путь называется собственным, если он не является эйлеровым циклом.[1]

Теорема 2: Если граф G обладает эйлеровым путём с концами А и В (А не совпадает с В), то граф G связный и А и В – единственные нечётные его вершины.

Доказательство: Связность графа следует из определения эйлерова пути. Если путь начинается в А, а заканчивается в другой вершине, то и А и В – нечётные даже если путь неоднократно проходил через А и В. В любую другую вершину графа путь должен был привести и вывести из неё, то есть все остальные вершины должны быть чётными.

Теорема 3: (обратная) Если граф G связный и А и В единственные нечётные вершины его, то граф G обладает эйлеровым путём с концами А и В.

Доказательство: Вершины А и В могут быть соединены ребром в графе, а могут быть соединены.

Если А и В соединены ребром, то удалим его; тогда все вершины станут чётными. Новый граф (по теореме 1) обладает эйлеровым циклом, началом и концом которого может служить любая вершина. Начнём эйлеров путь в вершине А и кончим его в вершине А. Добавим ребро (А,В) и получим эйлеров путь с началом в А и концом в В.

Если А и В не соединены ребром, то к графу добавим новое ребро (А,В), тогда все вершины его станут чётными. Новый граф (по теореме 1) обладает эйлеровым циклом. Начнём его из вершины А по ребру (А,В). Заканчивается путь тоже в вершине А. Если удалить теперь из полученного цикла ребро (А,В), то останется эйлеров путь с началом в В и концом в А или началом в А и концом В.

Таким образом, всякую замкнутую фигуру, имеющую в точности две нечётные вершины, можно начертить одним росчерком без повторений, начав в одной из нечётных вершин, а кончив в другой.

Теорема 4: Если связный граф G имеет 2k нечётных вершин, то найдётся семейство из k путей, которые в совокупности содержат все рёбра графа в точности по одному разу.

Доказательство: Половину нечётных вершин обозначим А₁,А₂,…,А_k,другую половину В₁,В₂,…,В_k(рис.7). Если вершины А_i и В_i (1<i<k) соединены ребром, то удалим из графа G ребро (А_i,В_i). Если вершины А и В не соединены ребром, то добавим к G ребро (А_i,В_i). Все вершины нового графа будут чётными, то есть в новом графе найдётся эйлеров цикл. При восстановлении графа G цикл разобьется на k отдельных путей, содержащих все рёбра графа.[2]

Рис.7

Пусть G=(V,E) – ориентированный граф. Ориентированным циклом называется ориентированный путь ненулевой длины из вершины в ту же вершину без повторения ребер.

Пусть G=(V,E) – ориентированный граф. Ориентированный цикл, который включает все рёбра и вершины графа G, называется эйлеровым циклом. Говорят, что ориентированный граф G имеет эйлеров цикл.

Теорема 5: Ориентированный граф имеет эйлеров цикл тогда и только тогда, когда он связный и степень входа каждой вершины равна степени выхода.[1]

 

Оценка числа эйлеровых графов

Лемма : В любом графе число вершин нечётной степени чётно.

Доказательство: По теореме 1 сумма степеней всех вершин число чётное. Сумма степеней вершин чётной степени чётна, значит, сумма степеней вершин нечётной степени также чётна, значит, их чётное число.

Пусть G(p) – множество всех графов с р вершинами, а Е(р) – множество эйлеровых графов с р вершинами.

Теорема 6: Эйлеровых графов почти нет, то есть

lim

Доказательство: Пусть E^/ (р) – множество графов с р вершинами и чётными степенями. Тогда по теореме1 Е(р)ÌЕ^/(p) и |Е(р)|£|Е^/(p)|.В любом графе число вершин нечётной степени чётно, следовательно, любой граф из Е^/(p) можно получить из некоторого графа G(p-1), если добавить новую вершину и соединить её со всеми старыми вершинами нечётной степени. Следовательно, |Е^/(p)| £|G(p-1)|. Но |G(p)|=2^{C(p, 2)}. Заметим, что

С(k,2)-C(k-1,2)=

=     

Далее имеем:  

|Е(р)|£|Е^/(p)| £|G(p-1)| = 2^{C( p-1,2)} =2^C(p,2)-(p-1) = |G(p)|2^-(p-1)

и

 , откуда lim . [3]

Алгоритм построения эйлеровой цепи в данном эйлеровом графе.

Этот метод известен под названием алгоритма Флёри.

Теорема 7: Пусть G – эйлеров граф, тогда следующая процедура всегда возможна и приводит к эйлеровой цепи графа G. Выходя из произвольной вершины и, идём по рёбрам графа произвольным образом, соблюдая лишь следующие правила:

1)  стираем рёбра по мере их прохождения и стираем также изолированные вершины, которые при этом образуются;

2)  на каждом этапе идём по мосту только тогда, когда нет других возможностей.

Доказательство: Покажем сначала, что указанная процедура может быть выполнена на каждом этапе. Предположим, что мы достигли некоторой вершины V; тогда если V¹U, то оставшийся подграф H связен и содержит ровно две вершины нечётной степени, а именно U и V. Согласно теореме 3 и определению полуэйлерова графа, граф H содержит полуэйлерову цепь P из V в U. Поскольку удаление первого ребра цепи Р не нарушает связности графа Н, то описанное в теореме построение (Т 1б)) возможно на каждом этапе. Если же V=U, то доказательство остаётся тем же самым до тех пор, пока есть ещё рёбра, инцидентные вершине U.

Осталось только показать, что данная процедура всегда приводит к полной эйлеровой цепи. Но это очевидно, так как в G не может быть рёбер, оставшихся не пройденными после использования последнего ребра, инцидентного U. В противном случае удаление некоторого ребра, смежного одному из оставшихся, привело бы к несвязному графу, что противоречит условию 2).[5]

Глава 2. Практическая часть

 

Задачи: