Карты метро и нейронные сети. Теория графов

Дальше все будет только усложняться. Графы К_3,3 и К₅ не являются планарными, и если мы добавим к ним еще несколько ребер и вершин, то полученные графы также не будут планарными — этому будут мешать излишние пересечения ребер. Таким образом, можно привести бесконечно много примеров непланарных графов. Благодаря теореме, открытой Куратовским, нас ожидает приятный сюрприз. Заметим, что два графа называются гомеоморфными, если после удаления всех вершин степени 2 полученные графы будут идентичными или изоморфными. Теорема Куратовского звучит так:

«Граф является планарным тогда и только тогда, когда он не содержит ни одного подграфа, гомеоморфного К_3,3  или К₅».

Чтобы определить, является ли граф планарным, нужно удалить все вершины степени 2 и проверить, не содержит ли полученный граф К_3,3  или К₅.

* * *

КАЗИМИР КУРАТОВСКИЙ (1896–1980)

Профессор Куратовский был одним из великих польских математиков, возглавлял группы исследователей и сотрудничал с крупнейшими математиками мира. Он занимался логикой, топологией, теорией множеств, а в 1930 году удивил весь мир знаменитой теоремой о планарных графах. Хотя определить планарность графа на практике сложно, теорема Куратовского имеет очень простую формулировку.

ПРИМЕНЕНИЕ В АРХИТЕКТУРЕ

При работе над архитектурными проектами интерес представляет анализ графа доступности пространств. Если этот граф не является планарным, нужно будет построить несколько этажей и лестниц. Если же полученный граф является планарным, то допустимо расположение всех нужных помещений на одном этаже.

* * *

Деревья, за которыми виден лес

Дерево — это очень простой граф, все вершины которого соединены так, что отсутствуют циклы, как, например, на следующем рисунке:

В дереве можно проложить маршрут между любыми двумя вершинами.

Далее приведены все возможные деревья с числом вершин от 1 до 8.

Последовательность чисел, обозначающих количество всех возможных деревьев для каждого числа вершин, выглядит так: 1, 1, 1, 2, 3, 6, 11, 23, 47, 106, 235, 551, 1301, 3159…

Если дерево имеет р вершин, то в нем всегда будет р — 1 ребер, но для каждого значения р можно изобразить р^{р– 2} разных деревьев (формула Кэли). Понятие дерева впервые ввел Кэли в 1857 году. Деревья образуют очень важный класс графов, так как в них все вершины соединены минимально возможным числом ребер. Благодаря этому деревья находят интересное применение в самых разных областях: при проектировании электрических цепей, телефонных сетей, при поиске маршрутов между населенными пунктами и так далее.

Следующая простая и красивая теорема дает характеристику деревьям, а также имеет крайне важное практическое значение:

«Граф G является деревом тогда и только тогда, когда между любыми двумя различными его вершинами u и v существует единственный путь. Это равносильно следующему утверждению: С является связным графом, если он имеет р вершин и р — 1 ребро».

Несмотря на простоту этой теоремы, число возможных деревьев по мере увеличения р возрастает очень быстро.

Причина этому такова. Пусть G — дерево. Даны две вершины G, u и v. Так как граф G является связным, то существует по меньшей мере один путь между u и v. Если бы между этими вершинами существовало два пути, С₁ и С₂, то в графе G образовался бы цикл, что невозможно. Разумеется, если между двумя произвольными вершинами графа существует единственный путь, граф является связным и не содержит циклов.

* * *

ДЕРЕВЬЯ И ВЕРОЯТНОСТИ

При анализе вероятностей различных событий (например, в играх) возможные альтернативные исходы и соответствующие вероятности часто представляют в форме дерева, где вершины соответствуют возможным исходам, а ребра — значениям вероятностей возможных исходов. Соответствующие расчеты выполняются на основе дерева. На рисунке представлено дерево, соответствующее игре, в которой нужно бросить сначала монету, затем — кубик. В теории игр, которая широко применяется в экономике, подобные представления используют очень часто.

Для расчета вероятностей нужно четко представлять все возможные исходы.

* * *

У. УИНГФИЛД И А. А. МАРКОВ: ТЕННИС И ТЕОРИЯ ГРАФОВ

Уолтер Уингфилд (1833–1912) запатентовал игру под названием теннис в феврале 1874 года. Андрей Андреевич Марков (1856–1922) занимался изучением последовательностей случайных событий, которые позднее стали называться цепями Маркова. Цепь Маркова представляет собой ориентированный граф, вершинам которого соответствуют состояния, а дугам — переходы из одного состояния в другое в зависимости от вероятности исходного события, но не всей последовательности предшествующих событий. Уингфилда и Маркова объединяет работа А. Л. Садовского и Л. Е. Садовского «Математика и спорт», в которой цепи Маркова используются для анализа теннисных партий. Так, на рисунке вероятности возможных исходов для каждого события соответственно равны 0,6 и 0,4.

* * *

Рассмотрим задачу, которую можно решить с помощью деревьев. Даны n городов A₁, А₂… А_n. Зная затраты на установление сообщения между каждой парой городов (стоимость строительства дорог, прокладки водо- и газопровода, линий электропередачи, телефонных линий), определите, как можно соединить города самым дешевым способом. Очевидно, что сеть «экономических связей» будет деревом, так как все города должны быть связаны друг с другом и не должно существовать циклов. Если бы в этой сети существовал цикл, можно было бы удалить одно из его ребер и все города по-прежнему были бы соединены между собой, но уже при меньших затратах.

Следовательно, дерево связей между n городами будет иметь n — 1 ребро. Соединим два города, для которых стоимость прокладки всех коммуникаций будет наименьшей. Затем соединим один из них с третьим городом, для которого стоимость коммуникаций будет минимальной, и так далее. Как называется множество различных графов, которые являются деревьями?

Наверное, вы уже догадались: такое множество называется лесом. Вопреки известной пословице, в теории графов за деревьями лес виден.

* * *

ГРАФЫ И ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЕ ДЕРЕВЬЯ

Родословную человека или семьи можно представить в четкой и упорядоченной форме с помощью графа, в вершинах которого размещаются фотографии, имена и годы жизни родственников, а ребра графа указывают на родственные отношения. Такое дерево может быть нисходящим и изображать всех потомков одной супружеской пары или восходящим, на котором будут представлены все предки конкретного человека.

В прошлом генеалогические деревья изображались в виде настоящих деревьев с ветвями и листьями. Сегодня благодаря использованию графов генеалогические деревья стали более понятными, пусть и менее живописными. Многие из них представлены в цифровом виде (различные программы для составления генеалогических деревьев можно найти в интернете). В настоящее время в виде генеалогических деревьев также изображают родословные собак, скаковых лошадей, боевых быков, связи политических партий, музыкальных жанров, родственных языков и многое другое. Быть может, читатель захочет составить свое генеалогическое древо по прочтении этой главы.