第5章图与网络分析.ppt
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1、第5章 图与网络分析(Graph Theory and Network Analysis),图的基本概念与模型树最短路问题网络的最大流最小费用流应用举例,近代图论的历史可追溯到18世纪的七桥问题穿过Knigsberg城的七座桥,要求每座桥通过一次且仅通过一次。这就是著名的“哥尼斯堡 7 桥”难题。Euler1736年证明了不可能存在这样的路线。,第一节 图的基本概念与模型,Knigsberg桥对应的图,例1、有甲、乙、丙、丁、戊五个球队,它们之间比赛的情况也可以用图表示出来。,一、图基本概念,例2 某单位储存八种化学药品,其中某些药品是不能存放在同一个库房里的。为了反映这个情况可以用点V1,V
2、2,V8分别代表这八种药品,若药品Vi和药品Vj是不能存放在同一个库房的,则在Vi和Vj之间连一条线。,图的表示方法:,一般地,当用图论研究一个实际问题时,常以顶点(Vertex)表示要研究的对象,以它们之间的连线,表示某种关系,这种连线称为边(Edge),目的是为了解决某个极值问题。图中的点用v表示,边用e表示。对每条边可用它所连接的点表示,记作:e1=v1,v1;e2=v1,v2;,运筹学中研究的图具有下列特征:,强调点与点之间的关联关系,不讲究图的比例大小与形状;每条边上赋有一个权;建立网络模型,求最大值或最小值。,下图可以提出很多极值问题,端点,关联边,相邻,若有边e可表示为e=vi,
3、vj,称vi和vj是边e的端点,反之称边e为点vi或vj的关联边。若点vi、vj与同一条边关联,称点vi和vj相邻;若边ei和ej具有公共的端点,称边ei和ej相邻。,二、关于图的另外一些名称和术语:,环,多重边,简单图,如果边e的两个端点相重,称该边为环。如右图中边e1为环。如果两个点之间多于一条,称为多重边,如右图中的e4和e5,对无环、无多重边的图称作简单图。,次,奇点,偶点,孤立点,与某一个点vi相关联的边的数目称为点vi的次(也叫做度),记作d(vi)。右图中d(v1),d(v3)=5,d(v5)=1。次为奇数的点称作奇点,次为偶数的点称作偶点,次为1的点称为悬挂点,次为0的点称作孤
4、立点。,图的次:一个图的次等于各点的次之和。,定理1 任何图中,顶点次数之和等于所有边数的2倍。,定理2 任何图中,次为奇数的顶点必为偶数个。,证明:由于每条边必与两个顶点关联,在计算点的次时,每条边均被计算了两次,所以顶点次数的总和等于边数的2倍。,证明:设V1和V2分别为图G中奇点与偶点的集合。由定理1可得:,2m为偶数,且偶点的次之和 也为偶数,所以 必为偶数,即奇数点的个数必为偶数。,链,圈,连通图,图中某些点和边的交替序列,若其中各边互不相同,且对任意vi,t-1和vit均相邻称为链。用表示:,起点与终点重合的链称作圈。如果每一对顶点之间至少存在一条链,称这样的图为连通图,否则称图不
5、连通。,子图,部分图(支撑子图),图G1=V1、E1和图G2=V2,E2如果有 称G1是G2的一个子图。若有,则称G1是G2的一个部分图(支撑子图)。,(a),(b),(G图),网络(赋权图),赋权图):权可以代表距离、费用、通过能力(容量)等等。无向网络:端点无序的赋权图称为.有向网络:端点有序的赋权图称为。,图的矩阵描述:邻接矩阵、关联矩阵、权矩阵等。,1.邻接矩阵对于图G=(V,E),|V|=n,|E|=m,有nn阶方矩阵A=(aij)nn,其中,图的基本概念与模型,例6.2 下图所表示的图可以构造邻接矩阵A如下,对于赋权图G=(V,E),其中边 有权,构造矩阵B=(bij)nn 其中:
6、,2.权矩阵,例6.4 下图所表示的图可以构造权矩阵B如下:,G=(V,E),矩阵表示A 邻接矩阵B 关联矩阵,边e=u,v,关联边,多重边 平行边,简单图,多重图,0 1 奇数 偶数,点边关系,欧拉图与中国邮路问题,欧拉图,哥尼斯堡七桥问题,哥尼斯堡(现名加里宁格勒)是欧洲一个城市,Pregei河把该城分成两部分,河中有两个小岛,十八世纪时,河两边及小岛之间共有七座桥,当时人们提出这样的问题:有没有办法从某处(如A)出发,经过各桥一次且仅一次最后回到原地呢?,哥尼斯堡七桥问题,定理2 连通无向图G为欧拉链的充要条件是它恰含两个奇次顶点。,定义1.在连通无向图G中,若存在经过每条边恰好一次的一
7、个圈或一条链,就称此圈或链 为欧拉圈或欧拉链。若图G含一条欧拉圈,则称为欧拉图。,定理1 连通无向图G为欧拉图的充要条件是它的全部顶点都是偶次顶点。(G中无奇次顶点),欧拉链,欧拉图,中国邮路问题,定理3 使图G成为总权最小的欧拉图的充要条件是:(1)在有奇次顶点的图G中,通过加重复边的方法使图不再包含奇次顶点,但原图的每条边最多只能加一条重复边。(2)在图G的每个回路上,重复边之总权不超过该回路非重复边之总权。(或回路总长的一半),例1 试为图4-13(a)构成总权最小的欧拉图。图中线旁的数字为相应边的权。,1,2,4,3,3,2,1,2,4,(a),图4-13,例2 试为图4-14(a)所
8、示的街道规划最优投递路线。解:可按以上所述步骤进行,最终结果示于图4-14(b),总权等于52,重复边的长度等于10。,1,3,3,4,3,3,3,3,3,3,2,2,2,图4-14(a),2,4,1,3,3,3,3,3,3,3,3,2,2,图4-14(b),2,2,第二节 树,树是图论中结构最简单但又十分重要的图。在自然和社会领域应用极为广泛。,例6.2 乒乓求单打比赛抽签后,可用图来表示相遇情况,如下图所示。,运动员,例6.3 某企业的组织机构图也可用树图表示。,树:无圈的连通图即为树,性质1:任何树中必存在次为1的点。性质2:n 个顶点的树必有n-1 条边。性质3:树中任意两个顶点之间,
9、恰有且仅有一条链。性质4:树连通,但去掉任一条边,必变为不连通。性质5:树无回圈,但不相邻的两个点之间加一条边,恰得到一个圈。,图的最小部分树(支撑树),如果G2是G1的部分图,又是树图,则称G2是G1的部分树(或支撑树)。树图的各条边称为树枝,一般图G1含有多个部分树,其中树枝总长最小的部分树,称为该图的最小部分树(或最小支撑树)。,G1,G2,例如,图4-18(a)是一个有四个顶点(n=4)的连通图,它共有 nn-2=42=16个生成树。,V1,V2,V3,V4,图4-18(a),赋权图中求最小树的方法:破圈法和避圈法,破圈法:任取一圈,去掉圈中最长边,直到无圈。,v1,v2,v3,v4,
10、v5,v6,4,3,5,2,1,边数n-1=5,得到最小树:,Min C(T)=15,避圈法:去掉G中所有边,得到n个孤立点;然后加边。加边的原则为:从最短边开始添加,加边的过程中不能形成圈,直到点点连通(即:n-1条边)。,v1,v2,v3,v4,v5,v6,4,3,5,2,1,Min C(T)=15,练习:应用破圈法求最小树,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,树与图的最小树,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,15,9,
11、16,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,16,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,16,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,25,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,3,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,3
12、,28,17,4,1,23,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,9,3,17,4,1,23,min=1+4+9+3+17+23=57,练习:应用避圈法求最小树,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7
13、,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,v1,v7,v4,v3,v2,v5,v6,20,15,9,16,25,3,28,17,4,1,23,36,min=1+4+9+3+17+23=57,课堂练习:,Min C(T)=12,Min C(T)=15,答案:,3,4,1,2,2,3,2,3,2,4,2,Min C(T)=12,Min C(T)=18,某一点到另一点的最短路的Dijkstra法所有点对间的最短路 返回,第三节 最短路问题,就
14、是从给定的网络图中找出一点到各点或任意两点之间距离最短的一条路.有些问题,如选址、管道铺设时的选线、设备更新、投资、某些整数规划和动态规划的问题,也可以归结为求最短路的问题。因此这类问题在生产实际中得到广泛应用。,里特城(Littletown)是一个乡村的小镇。它的消防队要为包括许多农场社区在内大片的地区提供服务。在这个地区里有很多道路,从消防站到任何一个社区都有很多条路线。因为时间是一个到达火灾发生点的主要因素,所以消防队队长希望事先能够确定从消防站到每一个农场社区的最短路。,例子:里特城 的消防队问题,最短路:O A B E F T 19 英里,一、求最短路的Dijkstra算法,1、算法
15、的基本思想,2、步骤:,(1)、给vs以P标号,P(vs)=0,其余各点均给T标号,T(vi)=+。(2)、若vi点为刚得到P标号的点,考虑这样的点vj:(vi,vj)属于E,且vj为T标号。对vj的T标号进行如下的更改:T(vj)=minT(vj),P(vi)+lij(3)、比较所有具有T标号的点,把最小者改为P标号,若全部点均为P标号则停止,否则转(2)。,例、用Dijkstra算法求下图中v1v8点的最短路。,P(0,v1),T(),T(),T(),T(),T(),T(),T(),P(0,v1),T(),T(),T(),T(),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),T(
16、6),T(),T(),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),T(6),T(),T(),T(),T(),T(),P(0,v1),P(v1,4),T(6),T(9),T(8),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),T(8),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),T(8),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),P(8,v2),T(),T(),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),P(8,v2),T(),T(),T(),P(0
17、,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),P(8,v2),T(14),T(13),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),T(9),P(8,v2),T(14),T(13),T(),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(14),T(13),T(),P(9,v2),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(14),T(13),T(),P(9,v2),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(14),T(),P(9,v2),P(13,v5),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(
18、8,v2),T(14),T(),P(9,v2),P(13,v5),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(14),T(17),P(9,v2),P(13,v5),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(17),P(9,v2),P(13,v5),P(14,v5),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),T(15),P(9,v2),P(13,v5),P(14,v5),P(0,v1),P(4,v1),P(6,v1),P(8,v2),P(9,v2),P(13,v5),P(14,v5),P(15,v7),P(0,v1),P(4
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