HY118-Διακριτά Μαθηματικά. Τι είδαμε την προηγούμενη φορά. Θεωρία γράφων / γραφήματα. 25 -Γράφοι. ΗΥ118, Διακριτά Μαθηματικά Άνοιξη 2017

Transcript

1 HY118-Διακριτά Μαθηματικά Τι είδαμε την προηγούμενη φορά Παρασκευή, 12/05/2017 Αντώνης Α. Αργυρός Υπογράφημα Συμπληρωματικά γραφήματα Ισομορφισμός γράφων Υπολογιστική πολυπλοκότητα Πρακτικώς επιλύσιμα προβλήματα Δυσεπίλυτα προβλήματα 12-May May Θεωρία γράφων / γραφήματα Θα δούμε τώρα τους λόγους που έδωσαν ώθηση στην ανακάλυψη και τη διατύπωση μιας τυπικής θεωρίας για τους γράφους Ερωτήσεις όπως Μπορώ να ταξιδέψω από το μέρος a στο μέρος b; Μπορώ να πάω από το a στοb χωρίς να επισκεφτώ δύο φορές το ίδιο μέρος; Ποιός είναι ο συντομότερος δρόμος από το a στοb; 12-May May

2 Μονοπάτια Σε ένα μη κατευθυνόμενο γράφο, ένα μονοπάτι μήκους n από τον κόμβοu στον κόμβοvείναι μία ακολουθία ακμών e 1, e 2,, e k, e k+1,, e n που ξεκινάει από τον κόμβο u και καταλήγει στον κόμβο v. Σε μη-κατευθυνόμενους γράφους:οι διαδοχικές ακμές μοιράζονται κάποιο κόμβο Σε κατευθυνόμενους γράφους:ο τερματικός κόμβος της ακμής e i είναι η αρχική κορυφή της ακμής e i+1. Ένα μονοπάτι διασχίζει/διέρχεται απότους κόμβους που το αποτελούν. Κυκλώματα Ένα μονοπάτι αποτελεί κύκλωμα εάν ξεκινά και καταλήγει στην ίδια κορυφή Διακρίνονται σε απλάκαι στοιχειώδη, όπως και τα αντίστοιχα μονοπάτια 12-May May Μονοπάτια Κυκλώματα, παραδείγματα Ένα μονοπάτι λέγεται απλό εάν δεν περιλαμβάνει την ίδια ακμή παραπάνω από μία φορά. Ένα μονοπάτι λέγεται στοιχειώδες εάν δεν περνάει από την ίδια κορυφή παραπάνω από μία φορά. Κάθε στοιχειώδες μονοπάτι είναι και απλό Υπάρχει στοιχειώδες (άρα και απλό) κύκλωμα Υπάρχει κύκλωμα από το v στο v. Υπάρχει μονοπάτι από το v στο w που είναι απλό αλλά όχι στοιχειώδες 12-May May

3 Συνεκτικότητα Συνεκτικότητα, παραδείγματα Ένας μη κατευθυνόμενος γράφος είναι συνεκτικός αν και μόνο αν υπάρχει ένα μονοπάτι μεταξύ κάθε ζεύγους διαφορετικών κόμβων του. Θεώρημα: Υπάρχει ένα απλόμονοπάτιγια κάθε ζεύγος διαφορετικών κορυφών σε ένα συνεκτικό, μη κατευθυνόμενο γράφο. 12-May May Κατευθυνόμενη συνεκτικότητα Ένας κατευθυνόμενος γράφος είναι: ισχυρά συνεκτικός αν και μόνο αν υπάρχει ένα κατευθυνόμενο μονοπάτι από τοaστοb για κάθε δύο διαφορετικές κορυφές a και b. Ασθενώς συνεκτικός αν ο αντίστοιχοςμη κατευθυνόμενος γράφος (δηλ., αυτός στον οποίο έχουμε βγάλει τον προσανατολισμό των ακμών) είναι συνεκτικός. Μονοπάτια Euler και Hamilton Θα μιλήσουμε για το πρόβλημα που παρακίνησε τον Euler να επινοήσει τη θεωρία των γράφων: οι γέφυρες του Koenigsberg(πόλη που σήμερα λέγεται Kaliningrad) 12-May May

4 Το πρόβλημα των γεφυρών του Königsberg Μπορούμε να περιδιαβούμε την πόλη και, πρν επιστρέψουμε στην αρχική μας θέση, να έχουμε περάσει κάθε γέφυρα μία μόνο φορά; Το πρόβλημα των γεφυρών του Königsberg Μπορούμε να περιδιαβούμε την πόλη και, πριν επιστρέψουμε στην αρχική μας θέση, να έχουμε περάσει κάθε γέφυρα μία μόνο φορά; A B D Το αρχικό πρόβλημα C Αντίστοιχος πολυγράφος 12-May May Το πρόβλημα των γεφυρών του Königsberg Μπορούμε να περιδιαβούμε την πόλη και, πριν επιστρέψουμε στην αρχική μας θέση, να έχουμε περάσει κάθε γέφυρα μία μόνο φορά; Το αρχικό πρόβλημα Μπορείτε να «μοντελοποιήσετε» το πρόβλημα χρησιμοποιώντας όσα ξέρουμε για τους γράφους; Μονοπάτια Euler & Hamilton Ορολογία: ΈναμονοπάτιEuler σε ένα γράφο G είναι ένα απλό μονοπάτι του G που περιλαμβάνει όλες τις ακμές τουg. Ένακύκλωμα Euler σε ένα γράφο G είναι ένα απλό κύκλωμα του G που περιλαμβάνει όλες τις ακμές τουg. 12-May May

5 Γέφυρες του Koenigsberg Οι γέφυρες είναι ακμές. Επομένως, η απάντηση στο πρόβλημα είναι ΘΕΤΙΚΗ αν και μόνο αν ο γράφος του προβλήματος περιλαμβάνει ένα κύκλωμα Euler. Στην πραγματικότητα, δεν περιέχει Γέφυρες του Koenigsberg επομένως δεν υπάρχει κύκλωμα Euler. A B D C Το αρχικό πρόβλημα Αντίστοιχος πολυγράφος 12-May May Θεωρήματα για την ύπαρξη μονοπατιών/κυκλωμάτων Euler Θεώρημα: Ένας συνεκτικός πολυγράφος περιλαμβάνει κύκλωμα Euler αν και μόνο αν κάθε κορυφή έχει άρτιο βαθμό. Μονοπάτια/κυκλώματα Euler Τι λέτε για τον παρακάτω γράφο; Θεώρημα: Ένας συνεκτικός πολυγράφοςέχει ένα μονοπάτιeuler αν και μόνο αν έχει ακριβώς 2 κορυφές περιττού βαθμού. 12-May May

6 Θεώρημα για την ύπαρξη κυκλώματος Euler Σχέδιο απόδειξης για το ότι ο άρτιος βαθμός των κορυφών συνεπάγεται την ύπαρξη κυκλώματος Euler: Ξεκινάμε από ένα τυχαίο κόμβο. Κατασκευάζουμε ένα απλό μονοπάτι προσπαθώντας να φτάσουμε εκεί απ όπου ξεκινήσαμε. Ο γράφος είναι συνεκτικός και κάθε κόμβος έχει άρτιο βαθμό, επομένως μπορούμε να επισκεφτούμε κάθε κόμβο και αν «πάμε» σε κάποιο κόμβο μπορούμε να φύγουμε από αυτόν Το ότι ο γράφος είναι πεπερασμένος συνεπάγεται ότι η διαδικασία τελικά θα τερματίσει. Σημειώστε ότι η πλήρης απόδειξη δίνει ένα αλγόριθμο: πρόκειται για μία κατασκευαστική απόδειξη μίας πρότασης. Μονοπάτια/κυκλώματα Hamilton Ένα μονοπάτιeuler στο Gείναι ένα απλόμονοπάτι που περιέχειόλες τις ακμέςτου G. ΈνακύκλωμαEuler στο G είναι ένα απλό κύκλωμαπου περιέχειόλες τις ακμέςτου G. ΈναμονοπάτιHamilton του G είναι ένα στοιχειώδες μονοπάτιπου περνά από όλες τις κορυφέςτου G. ΈνακύκλωμαHamilton του Gείναι ένα στοιχειώδες κύκλωμαπου περιέχει όλες τις κορυφές του G. 12-May May Κυκλώματα Euler για κατευθυνόμενους γράφους Ένας συνεκτικός κατευθυνόμενος γράφος περιλαμβάνει κύκλωμα Euler αν και μόνο αν για κάθε κορυφή του v ισχύει ότι deg + (v) = deg - (v) Θεωρήματα Θεώρημα του Dirac: Εάν(αλλά όχι μόνο αν) ένας γράφος G είναι συνεκτικός, απλός, έχει n 3 κορυφές, και v deg(v) n/2, τότεο G περιλαμβάνει ένα κύκλωμα Hamilton. 12-May May

7 Παραδείγματα Βεβαρυμένος γράφος Ένας γράφος G=(V, E, f, h) όπου: V, E όπως έχουμε ήδη δει f: V R (συνάρτηση βαρών κορυφών) h: E R (συνάρτηση βαρών ακμών) Μία από τις δύο συναρτήσεις μπορεί να λείπει. 12-May May Πρόβλημα Βεβαρυμένος γράφος, παράδειγμα Έστω το εξής πρόβλημα: Δοσμένου ενός απλού γράφουg, περιέχει το Gένα κύκλωμα Hamilton; Αυτό το πρόβλημα έχει είναι NP-πλήρες (NPcomplete) Όπως είπαμε, αυτό σημαίνει πως, εάν βρεθεί ένας αλγόριθμος που να λύνει αυτό το πρόβλημα σε πολυωνυμικό χρόνο, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να επιλύσει όλα ταυπόλοιπα NP προβλήματα σε πολυωνυμικό χρόνο. 12-May May

8 Βεβαρυμένος γράφος, προβλήματα Το πρόβλημα του συντομότερου μονοπατιού: Δοσμένου ενός συνεκτικού, βεβαρυμένου γράφου όπου τα βάρη των ακμών εκφράζουν απόσταση κόμβων, βρες το συντομότερο μονοπάτι από ένα συγεκριμένοκόμβο σε ένα άλλο (Αλγόριθμος του Dijkstra, πολυπλοκότητα n 2 ) Το πρόβλημα των συντομότερων μονοπατιών μεταξύ όλων των δυνατών ζευγών κόμβων: Αλγόριθμος Floyd-Warshal, πολυπλοκότητα n 3 Βεβαρυμένος γράφος, προβλήματα Το πρόβλημα του περιοδεύοντος πωλητή(traveling salesman):ένας πωλητής θέλει να ξεκινήσει από την πόλη του, να επισκεφτεί όλες τις άλλες πόλεις μία μόνο φορά και να επιστρέψει πίσω στην πόλη του έχοντας διανύσει την ελάχιστη δυνατή απόσταση. Η «μετάφραση» στη θεωρία γράφων:δοσμένου ενός συνεκτικού, βεβαρυμένουγράφου όπου τα βάρη των ακμών εκφράζουν απόσταση κόμβων, βρες το κύκλωμα Hamilton με το μικρότερο δυνατό άθροισμα βαρών των ακμών που συμμετέχουν. 12-May May Βεβαρυμένος γράφος, προβλήματα Επίπεδοι γράφοι Ένας γράφος ονομάζεται επίπεδος (planar) αν μπορούμε να τον σχεδιάσουμε στο επίπεδο με τέτοιο τρόπο ώστε οι ακμές του να μην τέμνονται μεταξύ τους. 12-May May

9 Επίπεδοι γράφοι Επίπεδοι γράφοι Για ένα απλό, συνεκτικό, επίπεδογράφο μεnκορυφές και e ακμές, τα ακόλουθα θεωρήματα ισχύουν: Θεώρημα1: Εάν n 3 τότε e 3n 6 Θεώρημα2. Εάν n> 3 και δεν υπάρχουν κύκλοι μήκους3, τότε e 2n 4. Το πρόβλημα του να αποφασιστεί κατά πόσον δύο επίπεδοι γράφοι είναι ισομορφικοί μπορεί να λυθεί σε πολυωνυμικό χρόνο! 12-May May Επίπεδοι γράφοι: ο τύπος του Euler Ε Π Ι Λ Ο Γ Ο Σ Εάν ένας συνεκτικός, επίπεδος γράφος σχεδιαστεί στο επίπεδο χωρίς οι ακμές του να τέμνονται, καιn το πλήθος των κορυφών, eτο πλήθος των ακμών και f το πλήθος των περιοχών, τότε n e + f = 2. Ολοκλήρωση της θεωρίας του ΗΥ118 Καλή επιτυχία στις εξετάσεις σας! Καλό καλοκαίρι!! Ραντεβού στα ΗΥ472, ΗΥ672 σε λίγα χρόνια!!! Καλή επιτυχία στις υπόλοιπες σπουδές σας!!!! 12-May May