第10章第12节.ppt
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1、1,第1节图的基本概念第2节 树,运筹学(第三版)运筹学教材编写 组第10章 图与网络优化清华大学出版社,2,图论是应用非常广泛的运筹学分支,它已经广泛地应用于物理学控制论,信息论,工程技术,交通运输,经济管理,电子计算机等各项领域。对于科学研究,市场和社会生活中的许多问题,可以同图论的理论和方法来加以解决。例如,各种通信线路的架设,输油管道的铺设,铁路或者公路交通网络的合理布局等问题,都可以应用图论的方法,简便、快捷地加以解决。,3,1736年瑞士科学家欧拉发表了关于图论方面的第一篇科学论文,解决了著名的哥尼斯堡七座桥问题。德国的哥尼斯堡城有一条普雷格尔河,河中有两个岛屿,河的两岸和岛屿之间
2、有七座桥相互连接,,4,哥尼斯堡七空桥,一笔画问题,欧拉(1736),5,第1节图的基本概念,例1是我国北京、上海、重庆等十四个城市之间的铁路交通图,这里用点表示城市,用点与点之间的线表示城市之间的铁路线。诸如此类还有城市中的市政管道图,民用航空线图等等。,6,例 2 表示五个球队比赛请况。用五个点v1,v2,v3,v4,v5分别表示五个球队,点与点之间的连线表示对应的两个球队已经比赛过。,7,例 3 用八个点v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8 表示八种化学药品,其间有连线的表示该两种化学药品不能存放在一个仓库里,问至少要设几个仓库来存放这些药品?由图可见,至少要设四个仓库。,8,
3、图是反映对象之间关系的一种工具,其中点表示对象,点间连线表示对象之间的关系。一般而言,图中点的位置,点间连线的长短曲直对于反映对象及其之间的关系并不重要。,v1,v2,v3,v4,v5,v1,v2,v3,v4,v5,在前面两例中,对象之间的关系是“对称的”,这种对称的关系可用两点之间的连线表示。但有些关系不是对称的,不可用两点之间的连线表示,却可以用两点之间的一条箭线来表示。如两个球队进行过比赛,这种关系是对称的;但谁胜谁负就不是对称的。若甲胜乙负,那么可以用从甲到乙划一条箭线来表示。,甲,乙,。,9,甲 v1,乙 v2,v3 丙,v4 丁,戊 v5,图论中的图,是指点以及点与点之间的连线所组
4、成的集合。如果联线没有方向(不是箭线)就叫做边,如果联线有方向(即箭线)就叫做弧。如果一个图G(Graph)是由点与边组成,就叫无向图(也简称为图)。记为 G=(V,E),其中V表示点的集合,E 表示边(Edge)的集合。如果一个图 D(Diagram)是点与弧的集合就叫有向图,记为:D=(V,A),其中V表示点的集合,A表示弧(Arc)的集合。,连接 vi与vj 的边记为 vi,vj 或 vj,vi。由 vi指向vj 的弧记为(vi,vj)。,10,V1,V2,V3,V4,253 页 图 107,例如右图(无向图,见 253页)可表为:,e1,e7,e6,e5,e4,e3,e2,G=V,E,
5、其中:V=,E=e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,V1,V2,V3,V 4,V1,V2,V3,V4,a1,a6,a5,a4,a3,a2,其中又:e1=V1,V2,e2=V1,V2e3=V3,V2,e4=V4,V3,e5=V1,V4,e6=V1,V3,e7=V4,V4,又例如右图(为一有向图)可表为:,D=V,A,其中:V=,A=a1,a2,a3,a4,a5,a6,V1,V2,V3,V 4,其中又:a1=(V1,V2),a2=(V1,V2),a3=(V2,V3),a4=(V4,V3),a5=(V1,V4),a6=(V1,V3),图的实例,11,图G(或图D)的点数记为p(G)(或P(D)
6、),边(或弧)的条数记为q(G)(或q(D),在不会引起误会时,也分别简记为p,q.下面介绍一些基本名词和记号,先考虑无向图 G=(V,E):若 e=u,v,则称 u,v 是 e 的端点,也称 u,v 是相邻的。称 e 是点 u,v 的关联边。若边的两个端点相同,则该边成为环(如图107中的 e7);如两点之间有多条边,则称这些边为多重边。(如图107中的e1,e2)。一个无环、无多重边的图称简单图,无环但有多重边的图称多重图。以 v 为端点的边的条数称为点 v 的次数,记为 d(v),如在右图中:d(v1)=4,d(v2)=3,d(v 4)=4(环 e7在计算d(v 4)时算作两次)。称次数
7、为一的点为悬挂点,悬挂点的关联边为悬挂边,次数为 0 的点称为孤立点(点击)。次数为奇数的点称为奇点,次数为偶数的点称为偶点.,V1,V2,V3,V4,253 页 图 107,e1,e7,e6,e5,e4,e3,e2,V5,V6,次与简单图,12,端点的度 d(v):点 v 作为边端点的个数;奇点:d(v)=奇数;偶点:d(v)=偶数;悬挂点:d(v)=1;悬挂边:与悬挂点连接的边;孤立点:d(v)=0;空图:E=,无边图,13,定理1 所有顶点次数之和等于所有边数的2倍。定理2 在任一图中,奇点的个数必为偶数。,基本定理,14,链:由两两相邻的点及其相关联的边构成的点边序列;如:v0,e1,
8、v1,e2,v2,e3,v3,vn-1,en,vn;v0,vn分别为链的起点和终点;初等链:链中所含的点均不相同 简单链:链中所含的边均不相同;,链,15,圈,第一个点和最后一个点相同的链叫圈。中间点皆不相同的圈叫初等圈。所有边皆不相同的圈叫简单圈。,16,连通图,给定图G,若其中任何两点之间至少有一条链,则称G为连通图,否则称为不连通图;若G 不是连通图,则可将它分为若干个连通的分图。,17,v8,v9,e10,在图10-9中,链(v1,v2,v3,v4,v5,v3,v6,v7)是简单链,非初等链。链(v1,v2,v3,v6,v7)是初等链。(v1,v2,v3,v4,v1)是初等圈。(v4,
9、v1,v2,v3,v5,v7,v6,v3,v4)是简单圈,非初等圈(中间有相同点)。,18,V1,V3,V4,V5,V2,图 G,图 G V3,图 G的一个支撑子图,V1,V4,V5,V2,V1,V3,V4,V5,V2,给定一个图G=(V,E)如果图G=(V,E),满足条件:V=V,EE,则称 G是 G 的一个支撑子图。即去掉G的一些边(边的端点并不随边一起去掉)后所得的图称G的支撑子图。设 vV(G),用 Vv表示从 G中去掉点v及其关联边后所的到的图。,19,V1,V3,V4,V5,V2,图 G,图 G的支撑子图,基本概念4,20,以下讨论有向图。设有一个有向图D=(V,A),去掉D中所有
10、弧上的箭头,得一无向图,叫D 的基础图,记为G(D)。给定弧a=(u,v),称 u 为 a 的始点,称 v 为 a 的终点。有向图D中的一个点弧交错序列,如果在其基础图G(D)中对应一条链,则称D的这一点弧交错序列为图D的一条链。若D的链上每条弧的左右两点分别是该弧的始点和终点,就称该链为一条路。若路的第一个点与最后一个点相同,就称之为回路。初等路是中间点皆不相同的路。,如点弧交错序列:V1,a2,V3,a8,V5,a10,V6,a11,V7 是链不是路。而点弧交错序列:V1,a1,V2,a5,V4,a7,V6,a11,V7 是链也是路。,基本概念5,21,2.1树及其性质,在各种各样的图中,
11、有一类图是十分简单又非常具有应用价值的图,这就是树。,22,已知有五个城市,它们之间要架设电话线,要求任意两个城市均可以互相通话(允许通过其它城市),并且电话线的根数最少。不含圈的连通图,23,定义1 一个无圈的连通图叫做树。下面介绍树的一些重要性质:定理3 设图G=(V,E)是一个树P(G)2,那么图G中至少有两个悬挂点。定理4 图G=(V,E)是一个树的充要条件是G不含圈,并且有且仅有P-1条边。定理5 图G=(V,E)是一个树的充要条件是G是连通图,并且有且仅有P-1条边。定理8.6 图G是一个树的充分必要条件是任意两个顶点之间有且仅有一条链。,24,从以上定理,不难得出以下结论:(1)
12、从一个树中任意去掉一条边,那么剩下的图不是连通图,亦即,在点集合相同的图中,树是含边数最少的连通图。(2)在树中不相邻的两个点之间加上一条边,那么恰好得到一个圈。,25,2.2图的支撑树,定义2 设图T=(V,E)是图G=(V,E)的支撑子图,如果图T=(V,E)是一个树,那么称T是G的一个支撑树。,v6,v5,v2,v3,v4,v1,图1014,a,v6,v2,v4,v1,b,v3,v5,26,若T=(V,E)是图 G=(V,E)的支撑树,则T的边数:q(T)=p(T)-1=p(G)-1,G 中不属于 T 的边数是 q(G)-(p(G)-1)=q(G)-p(G)+1。,27,定理 7 图G有
13、支撑树的充分必要条件是 G 连通。,必要性显然。充分性 设G连通。若G是树,则G是它自己的支撑树。若G非树,则 G含圈,从该圈中任意去掉一边,得G的支撑子图G,若G为树,则是G的支撑树;若 G 非树,则G 含圈,又去掉圈中任意一条边,如此反复进行,因边数有限,最后必得G的一个支撑树。证毕!,28,上定理的证明过程实际上给出了寻找一个图的支撑树的一个方法,名“破圈法”,就是任取图中一个圈,去掉圈中一条边,如此反复进行直到获得一个支撑树为止。,29,例6:用破圈法求出图的一个支撑树,取一个圈(v1,v2,v3,v1),在一个圈中去 掉边e3。在剩下的图中,再取一个圈(v1,v2,v4,v3,v1)
14、,去掉边e4。再从圈(v3,v4 v5,v3)中去掉边e6。再从圈(v1,v2,v5,v4,v3,v1)中去掉边e8,这样,剩下的图不含圈,于是得到一个支撑树。,v3,30,例6:用避圈法求出图的一个支撑树,31,2.3 最小支撑树,定义 3 给图G=(V,E)的每一条边Vi,Vj赋予一个实数Wij,则称G 为 赋权图。而Wij称为边 Vi,Vj 的权。定义 4 如果T=(V,E)是赋权图G 的一个支撑树,称T的所有边的权数之和为T的权,记为w(T).如果图G的支撑树T*的权w(T*)是G的所有支撑树中权为最小的支撑树,则称T*为G的最小支撑树,简称最小树。,32,1、“避圈法”生长法 Kru
15、skal,33,2、“破圈法”,(b),34,第3节最短路径问题,最短路径问题是图论中十分重要的最优化问题之一,它作为一个经常被用到的基本工具,可以解决生产实际中的许多问题,比如城市中的管道铺设,线路安排,工厂布局,设备更新等等。也可以用于解决其它的最优化问题。,35,例10 如图所示的单行线交通网,每个弧旁边的数字表示这条单行线的长度。现在有一个人要从v1出发,经过这个交通网到达v8,要寻求是总路程最短的线路。,3.1 引例,36,一般意义下的最短路问题:设一个赋权有向图D=(V,A),对于每一个弧a=(vi,vj),相应地有一个权wij。vs,vt是D中的两个顶点,P是D中从vs到vt的任
16、意一条路,定义路的权是P 中所有弧的权的和,记作w(P)。最短路问题就是要在所有从vs到vt的路P 中,寻找一个权最小的路P0,使w(P0)=minw(p)。P0叫做从vs到vs的最短路。P0的权w(P0)叫做从vs到vt的距离,记作d(vs,vt)。由于D是有向图,很明显d(vs,vt)与d(vt,vs)一般不相等。,37,3.2最短路算法(Dijkstra 1959),下面介绍在一个赋权有向图中寻求最短路的方法Dijkstra算法,它是在1959年提出来的。目前公认,在所有的权wij 0时,这个算法是寻求最短路问题最好的算法。并且,这个算法实际上也给出了寻求从一个始定点vs到任意一个点vj
17、的最短路。,38,Dijkstra算法的基本思想,从vs出发,逐步向外寻找最短路。在运算过程中,与每个点对应,记录一个数(称为这个点的标号)。它或者表示从vs到该点的最短路权(叫做P 标号,即永久标号),或者表示从vs到该点最短路权的上界(叫做T 标号,即临时标表号)。算法的每一步是去修改T 标号,把某一个具有T 标号的点改变为具有P 标号的点,使图D 中具有P 标号的顶点多一个。这样,至多经过p-1步,就可求出从vs到各点vj的最短路。,39,以例10为例说明这个基本思想。VS=V1。因为Wij 0,d(v1,v1)=0。这时,v1是具有P标号的点。现在看从v1出发的三条弧(v1,v2),(
18、v1,v3)和(v1,v4)。沿(v1,v2)到达v2,则d(v1,v1)+w12=6沿(v1,v3)到达v3,则d(v1,v1)+w13=3沿(v1,v4)到达v4,则d(v1,v1)+w14=1因此,从v1出发到达v4的最短路必是(v1,v4),d(v1,v4)=1。因为从v1到达v4的任一条路P,假如不是(v1,v4),则必先沿(v1,v2)到达v2,或者沿(v1,v3)到达v3,而这时的路程已是6或者3单位。,40,看从v1出发的三条弧(v1,v2),(v1,v3)和(v1,v4),mind(v1,v1)+w12,d(v1,v1)+w13,d(v1,v1)+w14=d(v1,v4)=1
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