Download
1 / 44
460 likes | 622 Views
Θεωρία Γραφημάτων Θεμελιώσεις-Αλγόριθμοι-Εφαρμογές. Ενότητα 3 Μ ΟΝΟΠΑΤΙΑ Κ ΥΚΛΟΙ. Εισαγωγή (1). Περίπατος ( walk ): ακολουθία από κόμβους και ακμές . Ίχνος ( trail) : περίπατος που μια ακμή δεν εμφανίζεται πάνω από μία φορά .
E N D
Θεωρία ΓραφημάτωνΘεμελιώσεις-Αλγόριθμοι-Εφαρμογές Ενότητα 3 ΜΟΝΟΠΑΤΙΑ ΚΥΚΛΟΙ
Εισαγωγή (1) • Περίπατος (walk): ακολουθία από κόμβους και ακμές. • Ίχνος (trail): περίπατος που μια ακμή δεν εμφανίζεται πάνω από μία φορά. • Μονοπάτι (path): ίχνος που ένας κόμβος δεν εμφανίζεται πάνω από μία φορά. • Αρχή-τέρμα περιπάτου, ίχνους, μονοπατιού. • Τερματικοί και εσωτερικοί κόμβοι.
Αποστάσεις (1) Pn = μονοπάτι με nκόμβους Πλήθος Ακμών (κόμβων) 2 2 3
Αποστάσεις (3) vH rad(G)=2 diam(G)=4
Αποστάσεις (5) y x z z : κόμβος του κέντρου
Αποστάσεις (6) Κέντρο: το υπογράφημα με την ελάχιστη εκκεντρικότητα
Κέντρο και Μέσο ενός Γραφήματος dist(y) : 1 1 1 1 1 2 3
Κέντρο και Μέσο ενός Γραφήματος • Γραφήματα για το πρόβλημα του ταχυδρομείου • Γράφημα για επίδειξη διαφοράς κέντρου και μέσου
Γραφήματα Euler (1) • Leonard Euler, Ελβετός, πατέρας Θεωρίας Γραφημάτων, 1736 πρόβλημα γεφυρών Koenigsburg • Πρόβλημα: είναι δυνατόν σε κάθε γράφημα να βρεθεί κύκλωμα (= κλειστό ίχνος) που να περνά από όλες τις ακμές? • Eulerian γράφημα: περιέχει γραμμή Euler • Semi-Eulerianγράφημα: περιέχει ανοικτό ίχνος Euler • Ψυχαγωγικά προβλήματα, μονοκονδυλιές περιέχει κλειστό ίχνος (κύκλωμα) περιέχει ανοικτό ίχνος (μονοπάτι)
Αλγόριθμοι Εύρεσης Κύκλων Euler (1) Ti G-E(Ti)
Αλγόριθμοι Εύρεσης Κύκλων Euler (3) • Γράφημα για Αλγόριθμο Tucker
Αλγόριθμοι Εύρεσης Κύκλων Euler (4) • Αρχικά: (α) 1 2 5 1 (β) 5 4 6 5 (γ) 2 3 4 2 • Τελικά: • 1 2 3 4 2 5 4 6 5
Πρόβλημα Κινέζου Ταχυδρόμου (1) • Τέθηκε από κινέζο μαθηματικό (1962) • Πρόβλημα: ένας ταχυδρόμος ξεκινάει από το γραφείο του, πρέπει να περάσει απ’ όλους τους δρόμους και επιστρέφει στο γραφείο του, το συντομότερο !!!! • Θεωρούμε απλό γράφημα (όχι έμβαρο) και αναζητούμε Eulerian διαδρομή. Αν το γράφημα δεν είναι Eulerian, τότε πρέπει κάποιες ακμές να διασχισθούν περισσότερο από μία φορές. Πόσες? • Το μήκος l της βέλτιστης λύσης είναι |Ε| ≤ l ≤ 2|Ε|
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton • Πίνακας reachability (πολλαπλασιασμός πινάκων και concatenation των εισόδων) • Προκύπτει πίνακας μετά από n-1 πολλαπλασιασμούς • Ελέγχεται αν οι είσοδοι αυτού είναι Hamiltonian μονοπάτια/κύκλοι
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton A B C D E M M1 • Διαδοχικοί πολλαπλασιασμοί πινάκων • Μi = Mi-1 * M, 1 < i < n
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton A B C D E M M1 • Για κάθε στοιχείο του Μiισχύει: • Μi(r, s) = Σt=1,n Mi-1 (r, t) * M(t, s), 1 < i < n • Το σύμβολο * δηλώνει παράθεση των αντίστοιχων στοιχείων των • Μi-1και M, αν κανένα από τα δύο στοιχεία δεν είναι 0, και το σύμβολοτου Μ δεν συμπεριλαμβάνεται στην αντίστοιχησυμβολοσειρά του Μi-1.
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton • * • M1 M • Μ2 = M1 * M, • Για το (1, 3) του Μ2 Μ2(1, 3) = Σt=1,5 M1 (1, t) * M(t, 3) • __________________________________________________________________________________________________ • 0 ΑΒ 0 0 0 • 0 C 0 0 0 • ------------------------------------------ • 0 ΑΒC0 0 0 • Γραμμή 1 του Μ1 • Στήλη 3 του Μ • ------------------------- • Στοιχείο (1,3) του Μ2
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton • * • M1 M • M2
Αλγόριθμος Εύρεσης Κύκλου Hamilton • * • M1 M • M4
Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για το Προβλήματος του Περιοδεύοντος Πωλητή (1) • Επίλυση με ευριστικέςυποβέλτιστες λύσεις • Μέτρο σύγκρισης είναι η ποσότητα 1 ≤ L / Lopt=a
Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για το Προβλήματος του Περιοδεύοντος Πωλητή (2)
Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για το Προβλήματος του Περιοδεύοντος Πωλητή (3)
Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για το Προβλήματος του Περιοδεύοντος Πωλητή (4) • Μέθοδος με ελάχιστα ζευγνύοντα δένδρα (3,1,2,4,5,6,3) βάρος 212 • Μέθοδος με διαδοχικές ανταλλαγές κορυφών (3,4,5,6,1,2,3) βάρος 237 (3,6,5,4,1,2,3) βάρος 210 (3,6,5,4,2,1,3) βάρος 193 (3,6,1,2,4,5,3) βάρος 192
Προσεγγιστικοί Αλγόριθμοι για το Προβλήματος του Περιοδεύοντος Πωλητή (5) • Μέθοδος πρακτικής εύρεσης κάτω ορίου σε πρόβλημα tsp: • Θεωρούμε ελάχιστο ζευγνύον δένδρο στο γράφημα G-v • Λαμβάνουμε δύο ακμές προσπίπτουσες στο v με ελάχιστο βάρος και εισάγουμε mst (minimum spanning tree) • Aν v = 5, τότε w(T)=122, 122+21+35=178 κάτω όριο
Άπειρα Γραφήματα (1) • Οι κόμβοι είναι σημεία του επιπέδου με ακέραιες συντεταγμένες, ενώ οι ακμές ενώνουν κορυφές σε απόσταση 1 • Σε άπειρο γράφημα δεν υπάρχει Eulerian κύκλωμα ή Hamiltonian κύκλος, αλλά υπάρχουν τα αντίστοιχα μονοπάτια • Μονοδρομικό (one-way) Eulerian/Hamiltonian μονοπάτι είναι το μονοπάτι που ξεκινά από μία κορυφή και επεκτείνεται επ’άπειρο (space filling curve)
Άπειρα Γραφήματα (2) • Peano/z-order • Hilbert
Μαγικά Τετράγωνα (1) • Γραμμές, στήλες και διαγώνιοι έχουν ίσο άθροισμα • Μεγάλη προϊστορία/ιστορία-Dührer
Μαγικά Τετράγωνα (2) • Αλγόριθμοι κατασκευής μαγικών τετραγώνων (περιττής τάξης): • Μέθοδος Bachet (με ρόμβο) • Με το τέχνασμα των τριών τυχαίων αριθμών (π.χ. 3,2,5) • Αντικαθιστώντας τους περιττούς αριθμούς 3-17 στις θέσεις 1-9 • Προσθέτοντας σε κάθε θέση τον ίδιο αριθμό • Μαγικό λέγεται το γράφημα όπου το άθροισμα των επιγραφών των ακμών που προσπίπτουν σε όλους τους κόμβους είναι ίσο περιττής τάξης
Μαγικά Τετράγωνα (3) • Μέθοδος Bachet
Μαγικά Τετράγωνα (4) • Μέθοδος Bachet
Μαγικά Τετράγωνα (5) • Θεώρημα: αν ένας διμερές γράφημα μπορεί να αποσυντεθεί σε 2 Hamiltonian κύκλους, τότε το γράφημα είναι μαγικό • Αντιμαγικό λέγεται το γράφημα όπου τα αθροίσματα των επιγραφών των ακμών που προσπίπτουν σε όλους τους κόμβους είναι άνισα • Πλήθος μαγικών αντικειμένων (ομόκεντρα τετράγωνα, τετράγωνα με ντόμινο, πολύγωνα κλπ)
Εφαρμογές • Κίνηση αλόγων (knight tour) σε σκακιέρα ή κάθε είδους πλαίσιο • Hamiltonian μονοπάτια και κύκλοι • DeMoivre(κίνηση περιμετρικά) • Εuler (μαγικό τετράγωνο), κλπ • Τοποθέτηση προσώπων σε τραπέζι • Θεώρημα: για διαφορετικούς Hamiltonian κύκλους: (n-1)/2 • Στιγμιαία παραφροσύνη
