Οι γέφυρες του ποταμού... Pregel (Konigsberg)

Transcript

1 Οι γέφυρες του ποταμού... Pregel (Konigsberg) Β Δ Β Δ Γ Γ

2 Κύκλος του Euler (Euler cycle) είναι κύκλος σε γράφημα Γ που περιέχει κάθε κορυφή του γραφήματος, και κάθε ακμή αυτού ακριβώς μία φορά. Για γράφημα Γ=({v}, ) υποθέτουμε ότι υπάρχει κύκλος Euler μηδενικού μήκους. Στην περίπτωση αυτή ο κύκλος C είναι ο (v).

3 Το γράφημα του παρακάτω σχήματος έχει κύκλο Euler. Ένας τέτοιος κύκλος είναι ο εξής: Κ=(A,e1, B,e3, Γ, e7, Δ, e6, Β, e2, Α, e9, Γ, e4, B, e5, Δ, e8, Α) Α e 9 e 1 e 2 Β e 3 e 4 e 5 e 6 e 7 e 8 Δ Γ

4 Βαθμός (degree) κορυφής v ενός γραφήματος Γ=(V,Ε) καλείται ο αριθμός των ακμών του γραφήματος που εφάπτονται στην v. Θεωρούμε ότι μια ανακύκλωση μετράει «2» στο βαθμό της κορυφής στην οποία εφάπτεται. Ο βαθμός της v συμβολίζεται δ(v).

5 Τελικά υπάρχει κύκλος Euler? Β Δ Β Δ Γ Γ

6 Θεώρημα ύπαρξης κύκλου Euler Γράφημα Γ έχει κύκλο του Euler εάν και μόνο εάν το γράφημα είναι συνδεόμενο και κάθε κορυφή του έχει άρτιο βαθμό.

7 Άσκηση Γράφημα έχει μονοπάτι με μη επαναλαμβανόμενες ακμές από μία κορυφή v σε μία κορυφή w (v w), στο οποίο περιέχονται όλες οι ακμές και όλες οι κορυφές του γραφήματος, εάν και μόνο εάν ο γράφημα είναι συνδεόμενο και οι κορυφές v και w είναι οι μοναδικές κορυφές με περιττό βαθμό.

8 Άσκηση (α) Πότε το πλήρες γράφημα ν κορυφών Kν περιέχει κύκλο Euler; (β) Πότε το πλήρες και διχοτομίσιμο γράφημα ν και μ κορυφών Κν,μ περιέχει κύκλο Euler; (γ) Για ποιες τιμές των μ και ν το γράφημα του παρακάτω σχήματος περιέχει κύκλο Euler; μ ν

9 Κύκλοι Hamilton ε α η ξ θ ζ χ φ τ π ν λ σ ρ ι β κ μ γ ε α η ξ θ ζ χ φ λ τ σ π ρ ι ν β κ μ γ δ δ

10 Ορισμός Προς τιμή του Hamilton, κύκλος σε γράφημα Γ καλείται κύκλος του Hamilton (Hamilton cycle) εάν περιέχει κάθε κορυφή του γραφήματος ακριβώς μια φορά (με εξαίρεση βέβαια την αρχική και τη τελική που συμπίπτουν).

11 Παράδειγμα Ο κύκλος K=(v1, v2, v6, v4, v5, v7, v3, v1) στο γράφημα του σχήματος 4.19 είναι ένας κύκλος του Hamilton. Παρατηρήστε ότι ο γράφημα του σχήματος 4.19 δεν περιέχει κύκλο Euler, αφού υπάρχει (τουλάχιστον μια) κορυφή με περιττό βαθμό. v 1 v 2 v 7 v 5 v 6 v 3 v 4

12 Διαφορά μεταξύ κύκλου Euler και κύκλου Hamilton. Ο μεν πρώτος περιέχει την κάθε κορυφή, και την κάθε ακμή του γραφήματος ακριβώς μία φορά, ενώ ο δεύτερος περιέχει την κάθε κορυφή του γραφήματος ακριβώς μια φορά.

13 Συνθήκη για την ύπαρξη κύκλου Hamilton Δυστυχώς δεν είναι γνωστές οι ικανές και αναγκαίες συνθήκες ύπαρξης κύκλου Hamilton σε ένα γράφημα. Παρατήρηση: Εάν ένα γράφημα περιέχει κύκλο του Hamilton, τότε στον κύκλο αυτό, που αποτελεί υπό γράφημα του αρχικού γραφήματος, κάθε κορυφή του αρχικού γραφήματος έχει βαθμό 2.

14 Παράδειγμα Για παράδειγμα, το γράφημα του παρακάτω σχήματος δεν περιέχει κύκλο Hamilton διότι, μπορούμε να αφαιρέσουμε ακμές μόνο από τις κορυφές v 2 και v 4 οι οποίες έχουν βαθμό μεγαλύτερο του 2. Όμως, αφαιρώντας ακμές από τις κορυφές αυτές, ελαττώνουμε το βαθμό των κορυφών με βαθμό 2. Επίσης, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι για τη δημιουργία κύκλου Hamilton στο γράφημα αυτό απαιτούνται 5 ακμές. Η αφαίρεση όμως των «μη αναγκαίων» ακμών από το γράφημα έχει ως αποτέλεσμα να μείνουν σε αυτό 4 ακμές. Επομένως για το γράφημα αυτό δεν μπορεί να υπάρχει κύκλος Hamilton. v 1 v 5 v 4 v 2 v 3 Γράφημα δίχως κύκλο Hamilton. Αντίθετα, το γράφημα του παρακάτω σχήματος έχει κύκλο Hamilton, αφού μπορούμε να αφαιρέσουμε ακμές από αυτόν έως ότου προκύψει υπό-γράφημα του αρχικού γραφήματος, όπου όλες οι κορυφές έχουν βαθμό 2. Τέτοιες ακμές για παράδειγμα μπορεί να είναι οι (v 1, v 5 ), (v 5, v 2 ), (v 3, v 4 ). Κατ αυτό τον τρόπο στο υπό-γράφημα παραμένουν 5 ακμές, όσες δηλαδή απαιτούνται για τη δημιουργία κύκλου Hamilton σε γράφημα 5 κορυφών. v 1 v 2 v 5 v4 v 3 Γράφημα με κύκλο Hamilton.

15 Παράδειγμα Υπερ κύβος ν κύβος (Hypercube) Ένας ν κύβος αναπαρίσταται με γράφημα 2 ν κορυφών, που αριθμούνται από 0 έως (2 ν 1 ), όπου ν 1. Εάν θεωρήσουμε ότι οι κορυφές αριθμούνται με το δυαδικό σύστημα αρίθμησης, τότε μία ακμή συνδέει δύο κορυφές εάν οι δυαδικοί αριθμοί με τους οποίους αριθμούνται διαφέρουν σε ένα δυαδικό ψηφίο

16 Για την κατασκευή ενός ν κύβου, ν>1, μπορείτε να ακολουθήσετε την εξής μέθοδο: 1. Κατασκευάστε δύο (ν 1) κύβους. 2. Ενώστε με ακμές τις κορυφές με την ίδια αρίθμηση. 3. Στην αρίθμηση των κορυφών του ενός (ν 1) κύβου προσθέστε το ψηφίο 0 στην αρχή κάθε δυαδικού αριθμού. 4. Στην αρίθμηση των κορυφών του άλλου (ν 1) κύβου προσθέστε το ψηφίο 1 στην αρχή κάθε δυαδικού αριθμού.

17 Ερώτημα: Υπάρχει κύκλος του Hamilton σε ένα ν κύβο; Αρχικά θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι για να υπάρχει κύκλος σε ένα ν κύβο θα πρέπει ν 2 αφού ο 1 κύβος έχει μόνο μία ακμή και επομένως δεν περιέχει κύκλους. Επομένως, ένας ν κύβος περιέχει κύκλο Hamilton εάν και μόνο εάν, ν 2 και υπάρχει μία ακολουθία σ 1,σ 2,σ 3,...,σ 2 ν, όπου κάθε σι είναι ένας δυαδικός αριθμός με ν δυαδικά ψηφία, και ικανοποιούνται τα εξής: κάθε δυαδικός αριθμός ν δυαδικών ψηφίων εμφανίζεται μόνο μία φορά στην ακολουθία δύο διαδοχικοί δυαδικοί αριθμοί διαφέρουν σε ένα δυαδικό ψηφίο. ο σ 2 ν και ο σ1 διαφέρουν σε ένα δυαδικό ψηφίο.

18 Μία τέτοια ακολουθία, είναι ένας κώδικας Gray Gν. Ύπαρξη κύκλου Hamilton σε v κύβο. Οταν ν 2, τότε o Gν αντιστοιχεί σε ένα κύκλο Hamilton του ν κύβου. Για να δείξουμε ότι κάθε ν κύβος έχει ένα κύκλο του Hamilton, θα πρέπει να δείξουμε ότι για κάθε ν, άρα και για ν 2, μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα κώδικα Gray. Τότε, κάθε ν κύβος έχει ένα κύκλο Ηamilton, για ν 2.

19 Παράδειγμα Να δείξετε αν το γράφημα του σχήματος έχει κύκλο Hamilton. Να αιτιολογήσετε τον ισχυρισμό σας. v 1 v 2 v 7 v 8 v 3 v 6 v 4 v 5