Introduktion til Grafteori

Relaterede dokumenter
DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

Matematik F2 - sæt 1 af 7, f(z)dz = 0 1

Projekt 6.3 Caspar Wessel indførelse af komplekse tal

Definition 13.1 For en delmængde af vektorer X R n er det ortogonale komplement. v 2

Trigonometri. for 8. klasse. Geert Cederkvist

Curling fysik. Elastisk ikke centralt stød mellem to curling sten. Dette er en artikel fra min hjemmeside:

Matematik F2 Opgavesæt 1

Matematik F2 Opgavesæt 1

Geometri med Geometer II

Kinematik. Ole Witt-Hansen 1975 (2015) Indhold. Kinematik 1

Trekantsberegning. for B- og A- niveau i stx og hf udgave Karsten Juul

Lorentz kraften og dens betydning

En samtaleguide for frafaldstruede elever. Frederikshavn Handelsskole HG Kirkegade Frederikshavn

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

Projekt 2.3 Euklids konstruktion af femkanten

Trekantsberegning. for B- og A- niveau i stx og hf udgave Karsten Juul

Vektorer. koordinatgeometri

Matematik A. Studentereksamen. Ny ordning. Forberedelsesmateriale. ny-stx191-mat/a

Velkommen i koldbøtten

Vektorer. koordinatgeometri. for gymnasiet, udgave Karsten Juul

Kortfattet. for gymnasiet og hf Karsten Juul

Definition (Pseudo-graf): En pseudo-graf G = (V, E) består af V, en ikke-tom mængde hvis elementer kaldes punkter, en mængde E samt en funktion f : E

Fraktaler Mandelbrots Mængde

for C-niveau i stx udgave 2

FORSØGSVEJLEDNING. Kasteparablen

Det skrå kast uden luftmodstand

Gruppeteori. Michael Knudsen. 8. marts For at motivere indførelsen af gruppebegrebet begynder vi med et eksempel.

11:30-12:30 Oplæg om det interpersonelle klasserum, v. dr. Tim Maindhard, Utrecht Universitet.

Keplers ellipse. Perihel F' Aphel

Rejsen over Limfjorden

Maksimal strømning 1

Relativitetsprincippet i Newtons fysik

Skriftlig Eksamen. Datastrukturer og Algoritmer (DM02) Institut for Matematik og Datalogi. Odense Universitet. Torsdag den 6. juni 1996, kl.

GEOMETRI. Generelt om vinkler. Notation for vinkler: u, A, BAC. Topvinkler er lige store, x = y

Undersøgelser i nyere geometri

P2-projektforslag Kombinatorik: grafteori og optimering.

Grafisk bestemmelse - fortsat Støttepunkter. Grafisk bestemmelse y. giver grafen. Niveaukurver og retning u = ( 1

Statistisk mekanik 12 Side 1 af 9 Van der Waals-gas

Vektorer. koordinatgeometri

LotusLive. LotusLive Engage og LotusLive Connections Brugervejledning

Emil, Nicklas, Jeppe, Robbin Projekt afkodning

Fraktaler. Mandelbrots Mængde. Foredragsnoter. Af Jonas Lindstrøm Jensen. Institut For Matematiske Fag Århus Universitet

VIRKSOMHEDERS SOCIALE ENGAGEMENT ÅRBOG 2005 SAMMENFATNING 05:14. Maja Rosenstock

SOCIAL ARV SAMMENFATNING :10 SOCIAL ARV SAMMENFATNING :10. Niels Ploug

Justering af skærmopløsningen

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 2 Institution: Projekt Vejanlæg. Matematik B-niveau Differentialregning

Statistisk mekanik 5 Side 1 af 11 Hastighedsfordeling for ideal gas. Enatomig ideal gas

Archimedes Princip. Frank Nasser. 12. april 2011

Volumenstrømsregulator

Konstruktive nyheder November 2012

Sammenhængskomponenter i grafer

Minimum udspændende Træer (MST)

Bølgeligningen. Indhold. Udbredelseshastighed for bølger i forskellige stoffer 1

Odense Kommunes borgerundersøgelse

Eleverne skal lave tre forskellige typer af svar på opgaven: Almindelige, vanskelige og smarte.

Samarbejdsaftale for Madfællesskabet [Udkast]

Hos Solo er målet at (gen)skabe en positiv identitetsfølelse og hjælpe til forståelse af, hvordan man begår sig i denne verden.

P2-gruppedannelsen for Mat og MatØk

.. if L(u) + w(u, v) < L(v) then.. begin... L(v) := L(u) + w(u, v)... F (v) := u.. end. med længde L(z)}

Statistisk mekanik 6 Side 1 af 11 Hastighedsfordeling for ideal gas. Enatomig ideal gas

Grafteori. 1 Terminologi. Grafteori, Kirsten Rosenkilde, august fra V. (Engelsk: subgraph, spanning subgraph, the subgraph

Korteste veje i vægtede grafer. Længde af sti = sum af vægte af kanter på sti.

Volumenstrømsregulator

Vinkelrette linjer. Frank Villa. 4. november 2014

Svar på opgave 322 (September 2015)

Pythagoras Sætning. Frank Nasser. 20. april 2011

Korteste veje i vægtede grafer. Længde af sti = sum af vægte af kanter på sti.

Finn Lauridsen undersøger priser for stemningsbelysning af træer i Anlæget.

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Konflikthåndtering og kommunikation. Lær at tackle konflikter konstruk1vt, inden de når at skabe ineffek/vitet, stress eller tab af arbejdsglæde.

Grafteori. 1 Terminologi. Indhold

Skives ældste institution i nye rammer - her mødes " før og nu".

Når faglige mål bliver til synlige mål

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

Pythagoras sætning. I denne note skal vi give tre forskellige beviser for Pythagoras sætning:

Statistisk mekanik 12 Side 1 af 9 Van der Waals-gas

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer 2 (2003-ordning)

Matematik B. Højere forberedelseseksamen

Matematik og dam. hvordan matematik kan give overraskende resultater om et velkendt spil. Jonas Lindstrøm Jensen

for C-niveau i stx 2013 Karsten Juul

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

DET KØNSOPDELTE ARBEJDSMARKED

KAPACITET AF RUF SYSTEMET KAN DET LADE SIG GØRE?

Afstande, skæringer og vinkler i rummet

Elementær Matematik. Mængder og udsagn

Implikationer og Negationer

Grafteori, Kirsten Rosenkilde, september Grafteori

Virksomhedsplan 2014 For Apoteker Norgaards Børnehave

Studieretningsopgave

1 Om funktioner. 1.1 Hvad er en funktion?

Pointen med Funktioner

K 7 - og K 4,4 -minors i grafer

Pointen med Differentiation

Flere ligninger med flere ukendte

Funktionalligninger. Anders Schack-Nielsen. 25. februar 2007

Volumenstrømsregulator

UNDERVISNING I PROBLEMLØSNING

Projekt 2.2 Omvendt funktion og differentiation af omvendt funktion

Blended Learning ADJUNKT HANNE-LENE HVID DREESEN

Transkript:

Introdktion til Grafteori Jonas Lindstrøm Jensen (jonas@imf.a.dk) IMF, 2007 1 Indledning En graf inden for matematikken er nogle pnkter, kaldet knder, der er forbndet af nogle streger, kaldet kanter. Hor pnkterne og stregerne er, er ikke igtigt det eneste i behøer at ide er, hilke knder der er forbndet. Rent matematisk er en graf G derfor et par G = (V,E) hor V er en mængde af knder, og E er en mængde af kanter. His, V er knder, så er der en kant mellem og his {,} E. Ds. his i har G = (V,E) og V = {,,} og E = {{,}, {,}}, så ser G således d. Figr 1: Grafen G. En graf kan godt hae en kant, der går fra et knde til sig sel, ds af tpen (,). Sådan en kaldes en løkke. Der kan også godt ære flere kanter mellem to knder. Opgae 1. Tegn grafen G = (V,E) giet ed V = {a,b,c,d,e} og E = {{a,c}, {d,e}, {a,d}, {c, e}, {a, e}, {b, e}}. Man kan lae alle mlige skægge ting med sådan nogle grafer, og de dkker op i rigtigt mange sammenhænge, da mange ting inden for matematikken kan beskries ha. grafer, f en masse ting inden for matematik-økonomi. Videnskaben om grafer kaldes ikke oerraskende for grafteori. En graf med n knder, hor alle knderne er indbrdes forbndet kaldes for K n. Ds at K 3 er en trekant, og K 4 ser d som på figren nedenfor. Opgae 2. Tegn K 6. Hor mange kanter har K n? (Hint: Had ed d om binomialkoefficienter?) 2 Centrale begreber i grafteori N il jeg lige remse nogle begreber op, man kan brge til at beskrie en graf. 1

Figr 2: K 4 Grad En kndes grad er ganske enkelt antallet af kanter, der har en ende i knden. En løkke bidrager med to til kndens grad. Delgraf His i har en graf G, og tager nogen af knderne og kanterne derfra (selfølgelig kn kanter, his knder i også har algt), så får i en n graf. En sådan kaldes en delgraf af G. Walk En alk er en sekens af knder, hor to på hinanden følgende knder har en kant imellem sig. Ds. det er en gåtr på grafen. Sti En sti er en alk, hor alle kanter man følger er forskellige. Ds. man ikke bentter den samme kant to gange. En simpel sti er en sti, hor også alle knderne er forskellige. Lkket sti En lkket sti er en sti, så den første og sidste knde er den samme. Ds. i er kommet tilbage til start. Plan En graf kaldes plan, his den kan tegnes på en måde, så ingen kanter krdser hinanden. Eksempel 2.1. Se på følgende graf, som i passende kan kalde G. Figr 3: G Det ses, at har grad 4 og har grad 3. Det skries som regel som deg = 4 og deg = 3. Nedenstående graf er en delgraf af G. 2

Figr 4: En delgraf af G Vi har en alk gennem knderne,,,,. Vi har en sti gennem knderne,,,. Der er en lkket sti gennem knderne,,,,. Opgae 3. Er G plan? 3 Et (simpelt?) grafteoretisk resltat Vi er n klar til at beise nogle sætninger inden for grafteori. Sætning 3.1. En graf G har et lige antal knder med lige grad. Beis. Lad os se på smmen af alle knders grad, den kan skries som V deg. His i tager den led for led, så il her kant bidrage med præcis 2 til denne sm (tænk!). Ds at deg = 2 E, V hor E er antallet af kanter i G. His n der ar et lige antal knder med lige grad, så ille smmen på HS ære lige (da smmen af et lige antal lige tal er lige), men det er den ikke, de 2 E er lige, så der må altså ære et lige antal knder med lige grad. Eksempel 3.2. Se på grafen fra figr 3. Den har netop 2 knder med lige grad, nemlig og. 4 Broerne i Königsberg Den første der arbejdede med grafteori ar den scheizeren Leonhard Eler, der i 1736 ndersøgte følgende spørgsmål: Er det mligt at gå en tr i Königsberg (n hedder ben Kaliningrad), så man krdser alle broer netop en gang, og man ender tilbage samme sted som man startede? Man kan fristes til at spørge sig sel, had det har med grafteori og gøre, men det er ikke så sært at sare på, for broerne i Königsberg kan betragtes som følgende graf. Inspireret af spørgsmålet laer i følgende definition. 3

Figr 5: Königsberg Definition 4.1. En graf kaldes Elersk his der findes en lkket sti, der brger alle grafens kanter netop én gang. Vi kan n omformlere Elers spørgsmål: Er grafen i figren oenfor Elersk? Her kan man selfølgelig prøe alle mligheder, men det er en fjollet og matematisk måde at gribe tingene an på. Istedet il i ise følgende sætning. Sætning 4.2. En graf er Elersk his og kn his den er sammenhængende og alle knder har lige grad. Sætningen siger n, at grafen ikke er Elersk, så der findes altså ikke nogen gåtr rndt i Königsberg, der krdser alle broer præcis en gang. Bemærk at en graf er sammenhængende betder det man sklle tro, nemlig at kan kan komme fra enher knde til en ilkårlig anden. Lad os prøe at beise sætningen. Beis. Beiset består af to dele. Lad os først antage, at grafen er Elersk. Vi skal så ise at den er sammenhængende og at alle knder har lige grad. Det er klart at grafen må ære sammenhængende, ellers knne i jo ikke komme rndt gennem alle kanter. Lad os oereje horfor graden af alle knder er lige. Hergang den elerske sti kommer til et pnkt, går den også d igen af en ikke allerede brgt kant. Ds. her gang ores sti krdser en knde gier det 2 mere til graden, og da stien kommer igennem alle kanter, kan der ikke gemme sig kanter der kan gøre graden lige. Altså er alle grader lige. Lad os n ise den anden ej. Antag at grafen er sammenhængende og at alle knder har lige grad. Vi il n ise, at der findes en elersk sti. Tag en ilkårlig knde, og la en sti med begndelse i. Vi går idere langs den sti, den at brge samme kant to gange indtil i ikke kan fortsætte derligere. Det kan kn ske i netop knden, da alle knder har lige grad, så his i kan kommer hen til den ad en kant, findes der også en kant d. His der er brgte kanter, kan i brge samme procedre som oenfor til at lae en lkket sti på en sammenhængende mængde af disse kanter. En sådan n sti kan kombineres med den sti i allerede har, så his i fortsætter procedren, får i til sidst alle kanter med, da grafen kn har endeligt mange kanter. Anden del af beiset er måske ikke så nemt at følge, så lad os prøe at illstrere det. Lad os se på følgende graf, hor alle knder har lige graf. 4

z Figr 6: Graf hor alle knder har lige grad Lad os tage knden og begnde at lae en tilfældig sti, indtil i ikke kan komme længere. Lad os sige i laer stien (,,,,). Så kan i ikke komme længere. Lad os n se på hilke kanter der er tilbage. z Figr 7: Ikke brgte kanter efter første sti Lad os så tage en ilkårlig knde, lad os sige, og forsøge at lae endn en sti. Lad os sige i får (,z,,). Den har bl.a. knden tilfælles med den første sti, så tilsammen får i stien (,, z,,,,, ). Så har i følgende kanter tilbage. z Figr 8: Ikke brgte kanter efter anden sti 5

Her er det ikke sært at lae en sti: (,,z,). Den har bl.a. knden tilfælles med den lange sti i har, så ialt får i den elerske sti (,,z,,,,,z,,, ). Det er en sti, der kommer igennem alle kanter prø sel efter! Sætning 4.3. I en sammenhængende graf har to længste stier en fælles knde. Beis. Lad P 1 og P 2 ære to længste stier i en sammenhængende graf G. Lad P 1 ære beskreet ed knde sekensen 0, 1, 2,..., k og P 2 med sekensen 0, 1, 2,..., k. Bemærk at antallet af knder er ens i de to sekenser, da de begge er længst. Antag at P 1 og P 2 ikke har en fælles knde. Da G er sammenhængende må der findes en sti mellem en knde fra P 1 og en fra P 2 hor de eneste knder fra P 1 og P 2 er endeknderne. Endeknderne betegner jeg med i og j, hor 0 i k og 0 j k. Og stien kalder jeg for P a. Lad: t 1 = Længden af stien 0 - i i P 1, stien betegnes P 11 t 2 = Længden af stien i - k i P 1, stien betegnes P 12 t 1 = Længden af stien 0- j i P 2, stien betegnes P 21 t 2 = Længden af stien j- k i P 2, stien betegnes P 22 t a = Længden af stien P a Noter at: Og at t 1 + t 2 = t 1 + t 2 = Længden af de længste stier i G t a > 0 Antag nden tab af generalitet at: t 1 t 2 og t 1 t 2 Hsk at jeg har at: t 1 + t 2 = t 1 + t 2 Ved brg af disse tre ligninger kan jeg beregne at: t 1 = t 1 + t 2 t 2 Ved brg af den sidste lighed får jeg at: t 2 t 1 = t 1 + t 2 t 2 2t 2 t 1 + t 2 2t 2 t 1 + t 2 2t 1 t 2 t 1 His jeg så brger dette sammen med ligheden: t 1 + t 2 = t 1 + t 2 t 1 + t 1 N il jeg kigge på den sammensatte sti P 11,P a,p 21. Dette er en sti da den ikke har fælles kanter. Dens længde er: t 1 + t a + t 1 som er skarpt større end t 1 + t 2 da t a > 0. Dette er en modstrid mod at t 1 + t 2 er længden af den længste sti i G. Derfor må de to længste stier hae mindst en fælles knde da det er ores eneste antagelse. 6

5 Afslttende bemærkninger En fortsættelse der bl.a. kommer til at indeholde træer og netærk kommer forhåbentlig snart. Tjek http://home.imf.a.dk/jonas. Kommentarer og rettelser kan sendes til jonas@imf.a.dk. 7