Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

познакомить учащихся с понятием “Граф”, основными принципами его построения;

формировать умение выделять отношения, связывающие объекты;

развивать внимание, способность к логическому рассуждению;

воспитывать взаимопомощь, умение работать в коллективе

закрепление полученных знаний на практике

развитие памяти, внимания;

развитие самостоятельности;

воспитание познавательной активности.

Оборудование:

• компьютерный класс, оснащенный современной техникой, видеопроектор, экран;
• компьютеры с ОС Windows XP, программа Microsoft Office 2003 PowerPoint;
• оборудование доски (тема урока, новые термины). Раздаточный материал.

План урока.

II. Изложение нового материала. (10 мин.)

III. Закрепление материала. Практическая работа. (15-20 мин.)

IV. Подведение итога урока.(2 мин)

V. Домашнее задание.

I. Организационный момент. Актуализация знаний.

Здравствуйте! Наш урок называется “Графы”. Мы познакомимся с понятие “Графы”, научимся их изображать и решать задачи по этой теме.

II Изложение нового материала.

Первая работа по теории графов принадлежит Леонарду Эйлеру (1736 г.), хотя термин “граф” впервые ввел в 1936 году венгерский математик Денеш Кениг. Графами были названы схемы, состоящие из точек и соединяющих эти точки отрезков прямых или кривых (примеры графов изображены на рисунке 1)

С помощью графов часто упрощалось решение задач, сформулированных в различных областях знаний: в автоматике, электронике, физике, химии и др. С помощью графов изображаются схемы дорог, газопроводов, тепло- и электросети. Помогают графы в решении математических и экономических задач.

Граф – (от греческого grapho – пишу) - это средство наглядного представления элементов объекта связей между ними. Это замечательные математические объекты, с их помощью можно решать очень много различных, внешне не похожих друг на друга задач.

Граф – это некоторая информационная модель

Граф состоит из вершин или узлов, связанных дугами или отрезками - рёбрами. Линия может быть направлена, т. е. иметь стрелку (дуга), если не направлена – ребро. Две вершины, соединённые дугой или ребром называются смежными.

Примеры графов (Слайд 4, 5, 6)

Задание 1 (Слайд 7):

Между девятью планетами солнечной системы установлено космическое сообщение. Рейсовые ракеты летают по следующим маршрутам:

Земля – Меркурий; Плутон – Венера; Земля – Плутон; Плутон – Меркурий; Меркурий – Венера; Уран – Нептун; Нептун – Сатурн; Сатурн – Юпитер; Юпитер – Марс; Марс – Уран.

Можно ли долететь на рейсовых ракетах с Земли до Марса?

Решение: Нарисуем схему условия: планеты изобразим точками, а маршруты ракет – линиями.

Теперь сразу видно, что долететь с Земли до Марса нельзя.

Две вершины, соединённые дугой или ребром называются смежными. Каждому ребру или дуге соотносится какое-нибудь число. Число может обозначать расстояние между населёнными пунктами, время перехода от одной вершины к другой и т. д.

Задание 2 (9 слайд) – решение у доски. Маша пришла в зоопарк и хочет увидеть как можно больше зверей. По какой тропинке ей надо идти? Желтая, красная, зеленая?

Задание 3 (11 слайд) – решение у доски. Пять футбольных команд А, Б, В, Г, Д должны сыграть в матчи друг с другом. Уже сыграли А с Б, В, Г; Б с А, В, Д. сколько матчей уже сыграно? Сколько осталось сыграть?

Представление графов (Слайд 12)

Граф может быть представлен в виде списка дуг (АВ; 7), графически или с помощью таблицы.

Списки дуг	Графическая форма	Табличная форма
(АВ; 7),		А В С А 3 В 4 С 3 4

III. Закрепление материалы: учащимся предлагается разделить на группы и выполнить задания. Работая в малой группе, ученики обсуждают модели, основываясь на теоретических знаниях, полученных в начале урока. Тем самым достигается повторение и закрепление материала.

Задание 2 (Слайд 13)

IV. Итог урока

Ребята, какие новые слова вы сегодня узнали? (Граф, вершина графа, ребра графа.)

Что могут обозначать вершины графа? (Города; объекты, которые; связаны.)

Что обозначают ребра графа (Пути, движения, направления)

Приведите пример, где в жизни мы можем с ними встретиться?

Как изображаются графы?

V. Домашнее задание. (Слайд 15)

Теория графов находит применение, например, в геоинформационных системах (ГИС). Существующие или вновь проектируемые дома, сооружения, кварталы и т. п. рассматриваются как вершины, а соединяющие их дороги, инженерные сети, линии электропередачи и т. п. - как рёбра. Применение различных вычислений, производимых на таком графе, позволяет, например, найти кратчайший объездной путь или ближайший продуктовый магазин, спланировать оптимальный маршрут.

Теория графов содержит большое количество нерешённых проблем и пока не доказанных гипотез.

Основные сферы применения теории графов:

В химии (для описания структур, путей сложных реакций, правило фаз также может быть интерпретировано как задача теории графов); компьютерная химия - сравнительно молодая область химии, основанная на применении теории графов. Теория графов представляет собой математическую основу хемоинформатики. Теория графов позволяет точно определить число теоретически возможных изомеров у углеводородов и других органических соединений;

В информатике и программировании (граф-схема алгоритма);

В коммуникационных и транспортных системах. В частности, для маршрутизации данных в Интернете;

В экономике;

В логистике;

В схемотехнике (топология межсоединений элементов на печатной плате или микросхеме представляет собой граф или гиперграф).

Выделяют особый вид графа, дерево. Дерево - это связный ациклический граф. Связность означает наличие путей между любой парой вершин, ацикличность - отсутствие циклов и то, что между парами вершин имеется только по одному пути. На Рис 1.3 представлено двоичное дерево .

Двоичное дерево - древовидная структура данных, в которой каждый узел имеет не более двух потомков (детей). Как правило, первый называется родительским узлом , а дети называются левым и правым наследниками .

Матричное представление графов. Матрица инциденций.

Развитие алгоритмических подходов к анализу свойств графов требует определенных способов описания графов, более пригодных для практических вычислений, в том числе с использованием ЭВМ. Рассмотрим три наиболее распространенных способа представления графов.

Предположим, что все вершины и все ребра неориентированного графа или все вершины и все дуги (включая петли) ориентированного графа пронумерованы начиная с единицы. Граф (неориентированный или ориентированный) может быть представлен в виде матрицы типа , где- число вершин, а- число ребер (или дуг). Для неориентированного графа элементы этой матрицы задаются следующим образом:

Для ориентированного графа элементы матрицы задаются так:

Матрицу типа, определенную указанным образом, называютматрицей инциденций.

Пример получения матрицы инциденций. Для изображенного ниже графа (Рис. 2.1 а Рис 2.1 б).

Рис 2.1 а Рис. 2.1 б

Матрица смежности.

Несмотря на то, что представление графа в виде матрицы инциденций играет весьма большую роль в теоретических исследованиях, практически этот способ весьма неэффективен. Прежде всего, в матрице в каждом столбце только два ненулевых элемента, что делает этот способ представления графа неэкономным при большом количестве вершин. Кроме того, решение практических задач с помощью матрицы инциденций весьма трудоемко.

Оценим, например, временные затраты на решение с помощью матрицы инциденций такой простой задачи в ориентированном графе: для данной вершины найти ее "окружение" - множество преемников и множество предшественников вершины, т.е. множество всех вершин, непосредственно достижимых из, и множество всех вершин, из которых она непосредственно достижима.

Для решения этой задачи на матрице инциденций ориентированного графа нужно идти по строке с номером до появления ненулевого элемента (+1 или –1). В случае если обнаружена +1, в соответствующем столбце надо найти строку, в которой записано число –1. Номер строки, в которой стоит это число, дает номер вершины, непосредственно достижимой из данной вершины. Если обнаружена –1, в столбце надо найти строку, в которой записана 1, и получить номер вершины, из которой непосредственно достижима данная вершина. Для получения всего "окружения" надо проделать указанный поиск для всех ненулевых элементов k-й строки. Наиболее трудоемкой процедурой является поиск ненулевого элемента в столбце. Число таких процедур поиска равно степени вершины. Будем в этом случае говорить, что сложность алгоритма анализа окружения вершинысоставляет(порядка).

Можно увидеть, что поиск "окружения" всех вершин займет время порядка произведения числа вершин ориентированного графа на сумму степеней всех вершин, которая, как можно показать, пропорциональна числу дуг ориентированного графа. Таким образом, сложность алгоритма поиска "окружения" составляет , т.е. поиск занимает время порядка произведения числа вершин на число дуг.

Более эффективной матричной структурой, представляющей граф, служит матрица смежности вершин , или булева матрица графа. Это квадратная матрица В порядка n , элементы которой определяют следующим образом:

для неориентированного графа:

для ориентированного графа:

Для изображенного ниже графа (Рис. 2.2 а ) матрицей инциденций будет матрица, представленная на (Рис 2.2 б).

Теория потоков в сетях возникла из рассмотрения реальных задач, таких как перевозка грузов по системе железных дорог, перекачка нефти по трубопроводам, управление запасами и т. д. Прежде чем кратко изложить теорию потоков в сетях, приведем некоторые определения из теории графов.

Граф – это совокупность двух множеств: множества точек, которые называются вершинами , и множества ребер А . Каждый элемент есть упорядоченная пара элементов множества , вершины и называются концевыми точками или концами ребра а . Граф называется конечным , если множества R и конечны.

Это определение графа должно быть дополнено в одном важном отношении. В определении ребра можно принимать или не принимать во внимание порядок расположения двух его концов. Если этот порядок несущественен, т. е. если , то говорят, что a есть неориентированное ребро ; если же этот порядок существенен, то a называется ориентированным ребром (ориентированное ребро часто называется дугой ). В последнем случае называется также начальной вершиной , а – конечной вершиной ребра a . Граф называется неориентированным , если каждое его ребро неориентировано, и ориентированным , если ориентированы все его ребра. В ряде случаев естественно рассматривать смешанные графы, имеющие как ориентированные, так и неориентированные ребра.

Ребра, имеющие одинаковые концевые вершины, называются параллельными . Ребро, концевые вершины которого совпадают, называется петлей . Она обычно считается неориентированной. Вершина и ребро называются инцидентными друг другу, если вершина является для этого ребра концевой. Вершина, не инцидентная никакому ребру, называется изолированной . Граф, состоящий только из изолированных вершин, называется нуль-графом . Две вершины, являющиеся концевыми для некоторого ребра называются смежными вершинами . Два ребра, инцидентные одной и той же вершине, называются смежными .

Число ребер, инцидентных одной вершине , будем обозначать через . Это число называется локальной степенью или просто степенью графа в вершине . В случае ориентированного графа G обозначим через и число ребер, соответственно выходящих из вершины и входящих в . Эти числа называются локальными степенями G в . Если все числа конечны, то граф называется локально-конечным . Вершина степени 1 называется висячей . Вершина степени 0 называется изолированной .

Рисунок 14.1.

На рис. 14.1 и – параллельные ребра, – петля; вершина и ребро инцидентны друг другу; – смежные вершины, – смежные вершины; степень вершины равна трем, – висячая вершина, – изолированная.

Теорема 14.1. В графе G сумма степеней всех его вершин – число четное, равное удвоенному числу ребер графа: , где n – число вершин графа, m – число его ребер.

Тема графов — это интересная, полезная и пугающая тема. Теория графов — "Ужас студента". Алгоритмы на графах — потрясающий ум людей их открывших.

Что такое граф? Чтобы ответить на этот вопрос своим читателям, я буду описывать тему немного по-своему.
Граф — это множество объектов.
В большинстве задач это однотипные объекты. (Множество городов или множество домов, или множество людей, или множество чего-то ещё однотипного)

Чтобы решать задачи с таким множеством, нужно каждый объект из этого множества обозначить как что-то. Общепринято это самое что-то называть вершинами графа.

Описывать графы и основные определения удобно рисунками, поэтому для чтения этой страницы рисунки должны быть включены.

Как я и писал ранее — граф это какое-то множество объектов. Эти объекты обычно однотипны. Проще всего приводить пример на городах. Каждый из нас знает, что такое город и что такое дорога. Каждый из нас знает, что к городу могут быть дороги, а могут и не быть. В общем, любое множество объектов можно охарактеризовать как граф.

Если говорить о графе как о городах, то между городами могут быть проложены дороги, а может быть где-то разрушена, не построена, или же город вообще находится на острове, моста нет, а интересуют только дороги с твердым покрытием. Несмотря на то, что дороги к такому городу нет, этот город может быть включен во множество анализируемых объектов, и все объекты вместе взятые составляют совокупность объектов или проще говоря — граф.

Наверняка вы читали учебники и видели такую запись G(V,E) или что-то похожее. Так вот, V — это какой-то один объект из всего множества объектов. В нашем случае множество объектов — это города, следовательно, V — это какой-то определенный город. Так как объекты не обязательно города, а слово объект может запутать, то такой объект из множества можно называть точкой, пунктом, как-то еще, но чаще всего его называют вершиной графа и обозначают буквой V.
В программировании это обычно или столбец или строка двумерного массива, где массив называется или матрицей смежности или матрицей инцендентности.

В литературе, в интернете и вообще везде, где что-то написано о графах, вы будете встречать такие понятия, как дуги и ребра. На этом рисунке изображены ребра графа. Т.е. это три ребра Е1, Е2 и Е3.

Дуга и ребро отличаются тем, что ребро — это такая двунаправленная связь. Захотел, ушел к соседу, захотел, вернулся от соседа. Если не очень понятно, то можно представить дом, аэродром, летящий самолет и парашютиста. Парашютист может пойти из своего дома на аэродром, но когда пришел на аэродром, вспомнить, что свой счастливый парашют забыл дома, затем вернуться домой, взять парашют. — Такая дорога, по которой можно гулять туда и обратно, называется ребром.
Если парашютист находится в самолете и прыгает с самолета, но парашютист забыл в самолете надеть свой счастливый парашют, то сможет ли парашютист забрать что забыл? Такой путь, который идет только в одну сторону, называется дугой. Обычно говорят, что ребро соединяет две вершины, а дуга идет из одной вершины в другую.

На этом рисунке у графа одни только дуги. Дуги на графе обозначают стрелочками, потому как так ясно доступное направление. Если граф состоит из одних таких дуг, то такой граф называется ориентированным.

Вы часто будете встречать понятия смежности и инцендентности. На рисунке красным цветом отмечены два ребра, которые идут в одну точку. Такие ребра, как и вышеописанные вершины, тоже называются смежными.

Многое не описано, но эта часть информации может быть кому-то поможет.

Неформально граф можно рассматривать как множество точек и соединяющих эти точки линий со стрелками или без них.

Первой работой теории графов как математической дисциплины считают статью Эйлера (1736 г.), в которой рассматривалась задача о Кёнингсбергских мостах. Эйлер показал, что нельзя обойти семь городских мостов и вернуться в исходную точку, пройдя по каждому мосту ровно один раз. Следующий импульс теория графов получила спустя почти 100 лет с развитием исследований по электрическим сетям, кристаллографии, органической химии и другим наукам.

С графами, сами того не замечая, мы сталкиваемся постоянно. Например, графом является схема линий метрополитена. Точками на ней представлены станции, а линиями - пути движения поездов. Исследуя свою родословную и возводя ее к далекому предку, мы строим так называемое генеалогическое древо. И это древо - граф.

Графы служат удобным средством описания связей между объектами. Ранее мы уже использовали графы как способ наглядного представления конечных бинарных отношений.

Но граф используют отнюдь не только как иллюстрацию. Например, рассматривая граф, изображающий сеть дорог между населенными пунктами, можно определить маршрут проезда от пункта А до пункта Б. Если таких маршрутов окажется несколько, хотелось бы выбрать в определенном смысле оптимальный, например самый короткий или самый безопасный. Для решения задачи выбора требуется проводить определенные вычисления над графами. При решении подобных задач удобно использовать алгебраическую технику, да и само понятие графа необходимо формализовать.

Методы теории графов широко применяются в дискретной математике. Без них невозможно обойтись при анализе и синтезе различных дискретных преобразователей: функциональных блоков компьютеров, комплексов программ и т.д.

В настоящее время теория графов охватывает большой материал и активно развивается. При ее изложении ограничимся только частью результатов и основной акцент сделаем на описании и обосновании некоторых широко распространенных алгоритмов анализа графов, которые применяются в теории формальных языков.

• Основные определения

  Графы, как уже отмечалось в примерах, есть способ „визуализации" связей между определенными объектами. Связи эти могут быть „направленными", как, например, в генеалогическом древе, или "ненаправленными" (сеть дорог с двусторонним движением). В соответствии с этим в теории графов выделяют два основных типа графов: ориентированные (или направленные) и неориентированные.

• Способы представления

  До сих пор мы задавали ориентированные и неориентированные графы, изображая их с помощью рисунков. Можно задать граф как пару множеств, следуя определению, однако этот способ довольно громоздкий и представляет, скорее, теоретический интерес. Развитие алгоритмических подходов к анализу свойств графов требует иных способов описания графов, более пригодных для практических вычислений, в том числе с использованием ЭВМ. Рассмотрим три наиболее распространенных способа представления графов.

• Деревья

  Определение 5.5. Неориентированным деревом называют связный и ациклический неориентированный граф. Определение 5.6. Ориентированным деревом называют бесконтурный ориентированный граф, у которого полустепень захода любой вершины не больше 1 и существует ровно одна вершина, называемая корнем ориентированного дерева, полустепень захода которой равна 0.

• Остовное дерево наименьшего веса

  Следующая задача известна в теории графов под названием задачи Штейнера: на плоскости заданы п точек; нужно соединить их отрезками прямых таким образом, чтобы суммарная длина отрезков была наименьшей.

• Методы систематического обхода вершин графа

  Важными задачами теории графов являются задачи глобального анализа как неориентированных, так и ориентированных графов. К этим задачам относятся, например, задачи поиска циклов или контуров, вычисление длин путей между парами вершин, перечисление путей с теми или иными свойствами и т.п. Глобальный анализ графа следует отличать от локального, примером которого может служить задача определения множеств предшественников и преемников фиксированной вершины ориентированного графа.

• Задача о путях во взвешенных ориентированных графах

• Изоморфизм графов

  Для ориентированного графа (V, Е) множество Е дуг можно рассматривать как график бинарного отношения непосредственной достижимости, заданного на множестве вершин. В неориентированном графе (V, Е) множество Е ребер является множеством неупорядоченных пар. Для каждой неупорядоченной пары {u, v} ∈ Е можно считать, что вершины u и v связаны симметричным бинарным отношением р, т.е. (u, v) ∈ р и (v, u) ∈ р.

• Топологическая сортировка

  Определение 5.17. Ориентированной сетью (или просто сетью) называют бесконтурный ориентированный граф*. Поскольку сеть является бесконтурным графом, можно показать, что существуют вершины (узлы) сети с нулевой полустепенью исхода, а также вершины (узлы) с нулевой полустепенью захода. Первые называют стоками или выходами сети, а вторые - источниками или входами сети.

• Элементы цикломатики

  При обсуждении алгоритма поиска в глубину в неориентированном графе рассматривался вопрос о поиске так называемых фундаментальных циклов графа. При этом под фундаментальным понимался цикл, содержащий в точности одно обратное ребро, и между фундаментальными циклами и обратными ребрами устанавливалось взаимно однозначное соответствие, фундаментальные циклы возникают всякий раз, как только фиксировано произвольное разбиение всех ребер неориентированного графа на древесные (формирующие некоторый максимальный оспьовный лес исходного графа) и обратные, причем в общем случае это разбиение может быть задано совершенно независимо от алгоритма поиска в глубину. Поиск в глубину есть лишь один из способов реализации такого разбиения.