Степень вершины в ориентированном графе

Степень или валентность вершины графа — количество рёбер графа G <displaystyle G> , инцидентных вершине x <displaystyle x> . При подсчёте степени ребро-петля учитывается дважды. [1]

Степень вершины обычно обозначается как d ( x ) <displaystyle d(x)> или deg ⁡ ( v ) <displaystyle deg(v)> . Максимальная и минимальная степень вершин графа G обозначаются соответственно Δ(G) и δ(G). На рис. 1 максимальная степень равна 5, минимальная — 0. В регулярном графе степени всех вершин одинаковы, поэтому в данном случае можно говорить о степени графа.

Содержание

Лемма о рукопожатиях [ править | править код ]

По формуле суммы степеней для графа G = ( V , E ) <displaystyle G=(V,E)> ,

∑ v ∈ V deg ⁡ ( v ) = 2 | E | , <displaystyle sum _deg(v)=2|E|,,>

то есть сумма степеней вершин любого графа равна удвоенному числу его рёбер. Кроме того, из формулы следует, что в любом графе число вершин нечётной степени чётно. Данное утверждение (и сама формула) известны как лемма о рукопожатиях. Название происходит от известной математической задачи: необходимо доказать, что в любой группе число людей, пожавших руку нечётному числу других, чётно.

Последовательность степеней вершин [ править | править код ]

Последовательность степеней вершин неориентированного графа является невозрастающей последовательностью. [2] Для графа, изображённого на рис. 1, она имеет вид (5, 3, 3, 2, 2, 1, 0). Последовательность степеней вершин есть инвариант графа, поэтому у изоморфных графов она одинакова. Однако последовательность степеней вершин не является уникальной характеристикой графа: в некоторых случаях неизоморфные графы также обладают одинаковой последовательностью.

Проблема последовательности степеней заключается в нахождении некоторых или всех графов с заданной невозрастающей последовательностью, состоящей из натуральных чисел (нулевые степени при этом могут быть проигнорированы, так как их количество изменяется добавлением или удалением изолированных вершин). Последовательность, являющаяся последовательностью степеней какого-либо графа, называется графической (англ. graphical sequence ). Из формулы суммы степеней следует, что любая последовательность с нечётной суммой (как, к примеру, 3, 3, 1) не может быть последовательностью степеней графа. Обратное также верно: если последовательность имеет чётную сумму, она представляет собой последовательность степеней мультиграфа. Построение такого графа осуществляется достаточно простым способом: необходимо объединить вершины нечётных степеней в пары, к оставшимся незаполненными вершинам следует добавить петли.

Сложнее реализовать простой граф с заданной последовательностью. Теорема Эрдёша — Галлаи утверждает, что невозрастающая последовательность d_i (при i = 1,…,n) может быть последовательностью простого графа только если её сумма чётна и выполняется неравенство

∑ i = 1 k d i ≤ k ( k − 1 ) + ∑ i = k + 1 n min ( d i , k ) k ∈ < 1 , … , n − 1 >. <displaystyle sum _^d_leq k(k-1)+sum _^min(d_,k)quad kin <1,dots ,n-1>,.>

Например, последовательность (3, 3, 3, 1) не может являться последовательностью простого графа; она удовлетворяет неравенству Эрдёша — Галлаи только при k равном 1, 2 или 4, но не при k равном 3.

Согласно критерию Гавела — Хакими, если невозрастающая последовательность (d₁, d₂, …, d_n) это последовательность степеней простого графа, то (d₂ − 1, d₃ − 1, …, d_d1+1 − 1, d_d1+2, d_d1+3, …, d_n) некоторая последовательность степеней простого графа. Этот факт позволяет построить полиномиальный алгоритм нахождения простого графа с заданной реализуемой последовательностью.

Сопоставим исходной последовательности чисел вершины графа без ребер с требуемыми степенями. Указанное преобразование последовательностей задает как минимум одну вершину графа, все инцидентные ей ребра и множество вершин с новыми требуемыми дополнениями степеней. Упорядочивая оставшиеся вершины по невозрастанию дополнений степеней, получим невозрастающую последовательность степеней простого графа. Повторяя преобразование и упорядочение не более n-1 раза, получаем весь граф.

Проблема нахождения или оценки числа графов по заданной последовательности относится к области перечисления графов.

Теория графов

Графы

Бинарное отношение на конечном множестве X есть ориентированный конечный граф (орграф) RÍX 2 . Таким образом, всякий орграф определяется множествами:

X=₁,X₂,…,X_n> – множеством вершин графа и множеством упорядоченных пар (кортежей)

Общепринято обозначать орграфы в виде

X – множество вершин орграфа;

U – множество дуг орграфа, или в виде

ГX = <Гx₁,Гx₂,…,Гx_n> – множество образов элементов множества X, т.е. отображение X в X, понимая термин отображения как точечно-множественное отображение.

Наряду с орграфами в приложениях рассматриваются неориентированные графы. Неориентированный граф является частным случаем орграфа, в котором для каждой дуги , т.е. бинарное отношение R обладает свойством симметрии. Если, кроме того, бинарное отношение R обладает свойством рефлексивности, то соответствующий ему ориентированный граф есть орграф-толерантность, содержащий дуги типа петля для всех вершин графа.

При геометрической реализации неориентированного графа вместо двух дуг и , соединяющих вершины X_i и X_j, употребляется одно ребро (X_i,X_j), не имеющее ориентации. На рис. 3.1.1 приведены геометрические реализации орграфов (слева) и их неориентированных аналогов – неориентированных графов (справа). G(X,U), если X’ÍX; U’ÍU, т.е. подграф G’ получим из графа G, если уберем какое-либо число вершин или ребер (дуг).

Две вершины графа называются смежными, если они соединены с началом другой.

Дуги называются смежными, если конец одной из них совпадает с началом другой.

Некоторая последовательности смежных дуг называется путем, а последовательность смежных ребер называется цепью.

Замкнутый путь называется контуром, а замкнутая цепь – циклом.

Сформулированные определения удобно представить в виде следующей таблицы:

Ориентированный граф	Неориентированный граф
Дуга	Ребро
Путь	Цепь
Контур	Цикл

Рассмотрим еще некоторые определения, которые нам понадобятся в дальнейшем. Пусть (цепь) называется элементарным, если он проходит через вершины графа по одному разу.

Путь (цепь) называется простым, если он проходит через дуги графа по одному разу. В противном случае путь (цепь) называется составным. Аналогично определяются и простые контуры и циклы.

Цепь (цикл) называется гамильтоновой, если она проходит через все вершины графа по одному разу, т.е. элементарная цепь, проходящая через все вершины графа, есть гамильтонова цепь.

Цепь (цикл) называется эйлеровой, если она проходит через все ребра по одному разу, т.е. простая цепь (цикл), содержащая все ребра графа есть эйлерова цепь (цикл).

Аналогично определяются гамильтоновы и эйлеровы путь и контуры.

Симметричный граф Неориентированный граф

Граф-толерантность Неориентированный граф

Граф-толерантность Неориентированный граф

Граф-декартово произведение Неориентированный полный граф

(с полным насыщением)

Степень вершины графа. Число ребер графа.

Вершина X_i называется инцидентной дуге (ребру) графа, если она является началом или концом этой дуги (ребра).

Степенью вершины графа называют число дуг (ребер), инцидентных данной вершине. Степень обозначается P(X_i).

Для ориентированного графа различают полустепень захода P + — число дуг, входящих в данную вершину, и полустепень исхода P — — число дуг, выходящих из данной вершины. Степень вершины ориентированного графа составит сумма полустепеней исхода и захода.

Если для некоторой вершины ориентированного графа полустепень захода некоторой вершины P + =0 и при этом полустепень исхода P — ¹0, то вершина называется входом графа.

Если для некоторой вершины ориентированного графа P — =0, а P + ¹0, то вершина называется выходом графа.

Граф, изображенный на рис. 3.1.2, имеет один вход – вершину X

Число ребер графа N связано со степенями его вершин следующим соотношением:

N= ,

где n – число вершин графа. Отсюда следует справедливость следующих утверждений:

1) Сумма степеней вершин любого графа четна;

2) Для любого графа число вершин, имеющих нечетные степени, четно;

3) Для однородного графа, т.е. графа, все степени вершин которого одинаковы и равны r, N= ;

4) Для полного графа, т.е. графа, в котором каждая пара вершин соединена ребром или дугой, P(X_i)=n-1, а N= .

Некоторой противоположностью полному графу является нуль-граф, не имеющий ребер или дуг и состоящий из изолированных вершин. Очевидно, степени верши нуль-графа равны 0.

Связность

Граф называется связным, если множество его вершин нельзя разбить на два или более подмножеств так, чтобы ни одна вершины одного подмножества не отображалась в вершину другого. В противном случае граф называется несвязным. Число подмножеств всех вершин графа, называется числом компонент связности для несвязного графа.

Существует другое определение связности графа. Граф называется связным, если две любые его вершины можно соединить цепью. Граф (рис. 3.1.3) является несвязным с двумя компонентами.

Ребро графа называется перешейком, или связующей линией, если его удаление приводит к тому, что граф становится несвязным. На рис. 3.1.4 изображены три связных неориентированных графа, причем граф 1 не имеет ни одного перешейка, 2 содержит один перешеек (отмечен жирной линией), граф 3 целиком состоит из одних перешейков. Такой граф (3) называется деревом.

Определение 7.10. Степенью вершины v для неориентированного графа, обозначается d(v), называется количество ребер, инцидентных этой вершине. Вершина степени 0 называется изолированной. Вершина степени 1 называется висячей.

Определение 7.11. Полустепенью исхода вершины v для орграфа называется количество дуг, для которых v является начальной вершиной, обозначается .

Полустепенью захода вершины v называется количество дуг, для которых v является конечной вершиной, обозначается . Если, то вершинаv называется истоком. Если , то вершинаv называется стоком.

Теорема 7.2. (Теорема Эйлера) Сумма степеней вершин графа равна удвоенному количеству ребер:

.

Доказательство. При подсчете суммы степеней вершин каждое ребро учитывается два раза: для одного конца ребра и для другого.

Следствие 1. Число вершин нечетной степени четно.

Доказательство. По теореме Эйлера сумма степеней всех вершин – четное число. Сумма степеней вершин четной степени четна, значит, сумма степеней вершин нечетной степени также четна, следовательно, их четное число.

Следствие 2. Сумма полустепеней вершин орграфа равна удвоенному количеству дуг:

.

Доказательство. Сумма полустепеней вершин орграфа равна сумме степеней вершин графа, полученного из орграфа забыванием ориентации дуг.

7.5. Представление (способы задания) графов.

Граф как алгебраическая система:

модель, носителем которой является множество вершин, а отношение – бинарное отношение смежности вершин.

Получается путём расположения различных точек на плоскости для каждой вершины vÎV, причём если (v₁,v₂)ÎЕ, то проводится ребро (дуга) из v₁ в v₂.

Для представления в компьютере чаще всего граф задается либо матрицей смежности, либо матрицей инциденций.

Матрицей смежности вершин неориентированного графа G, содержащего n вершин, называют квадратную матрицу A=a_ij n-го порядка, у которой строки и столбцы матрицы соответствуют вершинам неориентированного графа.

Элементы a_ij матрицы A равны числу ребер, направленных из i-й вершины в j-ю. В случае неориентированного графа G ему вместе с ребром (v_i, v_j) принадлежит и ребро (v_j, v_i), поэтому матрица смежности вершин A=a_ij будет симметрична относительно главной диагонали.

ПРИМЕР. Граф: множество вершин V =

Матрица смежности симметрична относительно главной диагонали.

На главной диагонали стоит 1 (символ Л) из-за нерефлексивности отношения на множестве вершин (EÍV´V)

Логическая матрица отношения на множестве вершин графа, которое задается его ребрами.

a b c d