Математический аппарат инженера

Рис. 11. Граф и его части:

а - граф; б - часть графа; в - подграф; г – суграф.

Исходный граф по отношению к его подграфу называют надграфом, а по отношению к суграфу - сверхграфом. Совокупность всех ребер графа, не принадлежащих его подграфу (вместе с инцидентными вершинами), образует дополнение подграфа. Говорят, что подграфы G' = (V', Е') и G" = (V", Е") разделены ребрами, если они не имеют общих ребер (Е' ∩ Е" =∅) и разделены вершинами, если у них нет общих вершин (V' ∩ V" =∅).

10. Связность. Две вершины графа называют связанными, если существует маршрут, соединяющий эти вершины. Граф, любая пара вершин которого связана, называют связным графом. Очевидно, в связном графе между любыми двумя вершинами существует простая цепь, так как из связывающего их маршрута всегда можно удалить циклический участок, проходящий через некоторую вершину более одного раза (Рис. 12, где маршрут между вершинами v_i и v_j, изображен жирными линиями).

Если граф не связный, то множество его вершин можно единственным образом разделить на непересекающиеся подмножества, каждое из которых содержит все связанные между собой вершины и вместе с инцидентными им ребрами образует связный подграф.

- 53 -

Таким образом, несвязный граф представляет собой совокупность отдельных частей (подграфов), называемых компонентами. На Рис. 13 показан подграф, состоящий из трех компонент (изолированная вершина считается компонентой).

Часто отношение связности усложняется дополнительными условиями. Граф называют циклически связным, если любые две различные вершины содержатся в цикле (например, граф на Рис. 11, а циклически связный, а граф на Рис. 12 - нет, так как вершина и, не содержится ни в каком цикле с другими вершинами). Граф называют R - связным, если любая пара различных вершин связана, по крайней мере R цепями, которые не имеют общих вершин (кроме начальной и конечной). Так, граф на Рис. 11, а двусвязный, а на Рис. 12 - односвязный.

Рис. 12. Связный граф.

Рис. 13. Несвязный граф, состоящий из трех компонент (G₁, G₂, G₃

Связность ориентированных графов определяется так же, как и для неориентированных (без учета направлений дуг). Специфичным для орграфа (или смешанного графа) является понятие сильной связности. Орграф называют сильно связным, если для любой пары его вершин v_i и v_j существует путь из v_i в v_j и из v_j в v_i , (например, граф на Рис. 8, а сильно связный). Граф, представляющий план города с односторонним движением по некоторым улицам, должен быть сильно связным, так как в противном случае нашлись бы вершины (площади и перекрестки), между которыми нельзя было бы проехать по городу без нарушения правил движения.

11. Разделимость. Связный граф может быть разделен на несвязные подграфы удалением из него некоторых вершин и ребер (при удалении вершин исключаются и все инцидентные им ребра, а при удалении ребер вершины сохраняются). Если существует такая вершина, удаление которой превращает связный граф (или компоненту несвязного графа) в несвязный, то она называется точкой сочленения (Рис. 14, а). Ребро с такими же свойствами называется мостом (Рис. 14, б). Ясно, что при наличии моста в графе имеется, по крайней мере, две точки сочленения.

- 54 -

Граф называется неразделимым, если он связный и не имеет точек сочленения (например, граф на Рис. 11, а неразделим). Граф, имеющий хотя бы одну точку сочленения, является разделимым и называется сепарабельным. Он разбивается на блоки, каждый из котооых представляет собой максимальный неразделимый подграф (на Рис. 14, в показаны блоки B₁,B₂,B₃ графа Рис. 14, б).

Каждое ребро графа, как и каждая вершина (за исключением точек сочленения), принадлежат только одному из его блоков. Более того, только одному блоку принадлежит и каждый простой цикл. Отсюда следует, что совокупность блоков графа представляет собой разбиение множеств ребер и простых циклов на непересекающиеся подмножества.

Рис. 14. Разделимые графы:

а - с точкой сочленения; б - с мостом; в - блоки B₁ - B₃ графа с мостом

В ряде приложений теории графов блоки можно рассматривать как компоненты. Это обычно допустимо, когда связи блоков посредством точки сочленения несущественны или когда существенные свойства графа связаны только с его простыми циклами (контурами). В таких случаях можно рассматривать несвязный граф как связный разделимый граф, который образуется путем такого объединения компонент, чтобы каждая из них была блоком (это всегда можно сделать, объединив, например, по одной вершине каждого блока в точку сочленения). Подобные операции используются при рассмотрении графов электрических цепей.

12. Деревья и лес.Особый интерес представляют связные ациклические графы, называемые деревьями. Дерево на множестве р вершин всегда содержит q = р - 1 ребер, т. е. минимальное количество ребер, необходимое для того, чтобы граф был связным. Действительно, две вершины связываются одним ребром, и для связи каждой последующей вершины с предыдущими требуется ребро, следовательно, для связи р вершин необходимо и достаточно р - 1 ребер.

При добавлении в дерево ребра образуется цикл, а при удалении хотя бы одного ребра дерево распадается на компоненты, каждая из которой представляет собой также дерево или изолированную вершину. Несвязный граф, компоненты которого являются

- 55 -

деревьями, называется лесом (лес из к деревьев, содержащий р вершин, имеет в точностир - к ребер). Сказанное иллюстрируется на примере дерева (Рис. 15, а), которое превращается в циклический граф добавлением ребра (Рис. 15, б) и распадается на лес из двух деревьев T₁ и T₂ при удалении ребра е (Рис. 15, в).

Рис. 15. Дерево (а), образование цикла при введении дополнительного ребра (б) и лес, который образуется после удаления ребра е (в).

Обычно деревья считаются существенно различными, если они не изоморфны. На Рис. 16 показаны все возможные различные деревья с шестью вершинами. С увеличением числа вершин количество различных деревьев резко возрастает (например, при р = 20 их насчитывается около миллиона). Среди различных деревьев выделяются два важных частных случая: последовательное дерево, представляющее собой простую цепь, и звездное дерево, в котором одна из вершин (центр) смежна со всеми остальными вершинами.

Рис. 16. Существенно различные деревья с шестью вершинами.

Рис. 17. Прадерево с корнем v₀.

Рассматриваются также деревья с ориентированными ребрами (дугами). Ориентированное дерево называется прадеревом с корнем v₀ , если существует путь между вершиной v₀ любой другой его вершиной (Рис. 17). Ясно, что прадерево имеет единственный корень.

До сих пор рассматривались деревья как минимальные связные графы на множестве р вершин. Важное значение имеет и другая точка зрения, когда деревья или лес являются частями некоторого графа, т. е. образуются из его ребер. Любая связная совокупность ребер, не содержащая контуров, вместе с инцидентными им вершинами образует дерево графа (Рис. 18, а). Если такое дерево является суграфом (содержит все вершины графа), то оно называется покрывающим деревом или остовом (Рис. 18, б). Так как петля