Теория графов

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Теория графов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

Глава I. Графы и их применение

1. Основные понятия теории графов

2. Расстояния в графах. Диаметр, радиус, центр графа

3. Нагруженные графы. Определение кратчайших маршрутов

4. Раскраска графов. Применение раскраски графов в практической деятельности человека

5. Эйлеровы и гамильтоновы графы

Глава II. Элементы теории графов на факультативных занятиях в школе

1. Роль факультативных занятий

2. Постановка факультатива Элементы теории графов в средней школе

Заключение

Литература

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Что такое граф? Когда речь заходит о графе, большинство людей представляют себе график, т.е. нечто вроде диаграммы, отражающей производственную деятельность какого-нибудь предприятия (рис. 1), или гладкую кривую (рис. 2), позволяющую наглядно представить свойства какой-нибудь математической функции.

 

Рис. 1Рис. 2

 

Но для огромного (и все возрастающего) числа математиков слово граф означает нечто совсем иное.

Начало теории графов как математической дисциплине было положено Эйлером в его знаменитом рассуждении о Кёнигсбергских мостах. Однако, эта статья Эйлера 1736 года была единственной в течение почти ста лет. Интерес к проблемам теории графов возродился около середины прошлого столетия и был сосредоточен, главным образом в Англии. Имелось много причин для такого оживления изучения графов. Естественные науки оказали свое влияние на это, благодаря исследованиям электрических сетей, моделей кристаллов и структур молекул. Развития формальной логики привело к изучению бинарных отношений в форме графов. Большое число популярных головоломок поддавалось формулировкам непосредственно в терминах графов, и это приводило к пониманию, что многие задачи такого рода содержат некоторое математическое ядро, важность которого выходит за рамки конкретного вопроса. Наиболее знаменитая среди этих задач - проблема четырех красок, впервые поставленная перед математиками Де Морганом около 1850 года. Никакая другая проблема не вызывала столь многочисленных и остроумных работ в области теории графов. Благодаря своей простой формулировке и раздражающей неуловимости она до сих пор остается мощным стимулом исследований различных свойств графов.

Настоящее столетие было свидетелем неуклонного развития теории графов, которая за последние десять лет и даже двадцать вступила в новый период интенсивных разработок. В этом процессе явно заметно влияние запросов новых областей приложений: теории игр и программирования, теории передачи сообщений, электрических сетей и контактных цепей, а также проблем биологии и психологии.

Настоящая работа состоит из двух глав.

В первой главе освещаются методы теории графов. В частности, даются ключевые понятия и определения этой теории, рассматриваются различные способы представления графов, методы построения маршрутов, циклов, деревьев и раскраски графов, а также особенности применения этих методов в различных сферах.

Вторая глава включает в себя факультативный курс в старшей школе с приложением разработки факультатива.

Раздел теоретического изложения материала подкреплен практическими задачами и упражнениями.

Глава I. ГРАФЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

 

1. Основные понятия теории графов

 

Пусть дано множество V = {v1, v2,…,vn} и пусть на множестве V определено семейство U = {u1, u2, …, un} пар элементов Uk = {vi, vj}, (k=1, m) произвольной кратности и упорядочения. Пара {V, U} называется графом. Граф, как правило, обозначают прописными латинскими буквами, например G, H. Принято также писать G (V, U) для того, чтобы определить некоторый конкретный граф G.

Элементы v1, v2,…, vn называют вершинами графа, а пары Uк = {vi, vj},

 

(к = 1, m) - ребрами.

 

Определению графа можно дать такую интерпретацию. Пусть имеем описание графа:

(V, U) = {{v1, v2,…, v6}, {{v1, v3}, , {v3, v3}}}.

 

Это описание можно отобразить графически, как показано на рис.3. На этом рисунке некоторые ребра отмечены стрелкой, а соответствующие им пары вершин в описании графа выделены угловыми скобками. Это связано с тем, что для некоторого произвольного ребра можно принимать или не принимать во внимание порядок расположения его концов.

Если этот порядок не существенен, то ребро называется неориентированным, в противном случае ребро называется ориентированным. Ориентированные ребра называются также дугами.

Рис. 3

 

Для ориентированного ребра определены понятия начальной и конечной вершины. Начальная вершина записывается в начале пары вершин, определяющих дугу, а конечная - в конце. Так, на рис.3 ребра являются дугами. Они представлены упорядоченными парами вершин и в связи с этим обозначены также, как обозначаются упорядоченные множества.

Ребра {v1, v3}, {v3, v4} неориентированы. Для любого неориентированного ребра полагают, что {vi, vj} = {vj, vi}. Ребро {vi, vi} называется петлей. На рис.3 имеем петлю {v3, v3}. Петли обычно неориентированы.

Граф, у которого все ребра неориентированы, называется неориентированным.

Граф, у которого все ребра ориентированы, называется ориентированным или орграфом.