1. No category

7. Graafeista
1 / 30
Königsberg1
2 / 30
Königsberg2
Ongelma:
Miten kävellä kaikkien siltojen yli kävelemättä yhtäkään siltaa useammin kuin kerran?
3 / 30
1
Königsberg3
4 / 30
Graafiteorian sovellusalueita.
Graafi- eli verkkoteoria
Sovelletaan tieto- ja tietoliikennetekniikassa, kemiassa, ympäristötekniikassa, psykologiassa, sosiologiassa,
liikenteen ohjauksessa jne.
Kemia: Molekyylien kemialliset sidokset.
Operaatioanalyysi: Graafiteoreettiset algoritmit.
Tietoliikennetekniikka: Saavutettavuus graafeissa. Viansieto siirtoverkoissa.
Ohjelmistotekniikka: Tietokantojen puuesitykset.
Elektroniikka: Piirit ja tasograafit.
Pohjimmiltaan graafiteoria on pisteistä ja niitä yhdistävistä viivoista koostuvien rakenteiden tutkimusta.
Seuraavassa käydään läpi lyhyesti keskeiset määritelmät ja perustulokset.
5 / 30
2
7.1. Merkintöjä
6 / 30
Joukot
Olkoon V äärellinen joukko.
E(V ) = {{u, v}|u, v ∈ V, u 6= v}
V :n kaksialkioisten (eri alkiot) osajoukkojen joukko.
7 / 30
Graafin määritelmä
Graafi on järjestetty pari G = (VG , EG ), missä VG on äärellinen joukko (pisteet) ja EG ⊆ E(VG ) (viivat).
g
b
a
f
d
c
G
8 / 30
3
Synonyymit
Piste, solmu, node, point, vertex
Viiva, linkki, särmä, link, line, edge
Graafi, verkko, graph, network, simple graph.
Jos G tiedetään, niin VG = V ja EG = E .
Viiva {u, v} merkitään yleensä uv (=vu)
Usein merkitään myös u ∈ G, kun u ∈ VG ja uv ∈ G, kun uv ∈ EG .
9 / 30
Pisteet ja viivat
Jos uv on viiva, niin pisteet u ja v ovat viivan uv päätepisteet (endpoints) ja
u ja v ovat vierekkäisiä eli vieruspisteitä (neighbours, adjacent points).
Piste on irtopiste (isolated point) jos sillä ei ole vieruspisteitä.
Viivat e1 ja e2 ovat vierekkäiset, jos niillä on yhteinen päätepiste.
10 / 30
4
Multigraafi
Multigraafi: Kahden pisteen välillä sallitaan yhtä useampi viiva ja viivan päätepisteet voivat olla samat
Multigraafissa muotoa uu olevia viivoja
Useita viivoja kahden eri pisteen välillä.
Jokainen graafi on myös multigraafi.
11 / 30
Graafin 2. määrittely
Toinen määrittely:
Graafi ⇔ Yksinkertainen graafi (=Simple graph)
Multigraafi⇔ Graafi
12 / 30
5
Suunnattu graafi
Suunnattu graafi (Directed graph, Digraph) D = (V, E) on järjestetty pari, missä V on äärellinen joukko ja
E ⊆ V × V . Lisäksi aina kun (u, v) ∈ E , on u 6= v .
Suunnatussa graafissa on viiva uv 6= vu, kun u ja v ovat eri pisteet.
13 / 30
Esimerkki suunnatusta graafista
a
b
c
d
14 / 30
6
Väritys ja etäisyys
Funktio α : VG → K on pisteiden väritys (vertex colouring)joukon K väreillä.
Funktio α : EG → K on viivojen väritys (edge colouring) joukon K väreillä. Yleensä K = {1, 2, . . . , k}.
Jos K ⊆ R, niin α:aa kutsutaan myös paino- tai etäisyysfunktioksi.
15 / 30
Graafien isomorfia
Kaksi graafia G ja H ovat isomorfiset, merkitään G ∼
= H , jos on olemassa bijektio α : VG → VH , jolle
uv ∈ EG jos ja vain jos α(u)α(v) ∈ EH aina kun u, v ∈ VG .
Siis G ja H ovat pisteiden nimeämistä vaille yksinkäsitteisiä.
16 / 30
7
Esimerkki
17 / 30
Lukumääriä
Graafien ja ei-isomorfisten graafien lukumääriä:
Pisteitä
1
2
3
4
5
6
7
9
Graafeja
Ei-isomorfisia
1
1
2
2
8
4
64
11
1 024
34
32 768
156
2 097 152
1 044
236
27 668
18 / 30
8
Vieruspistematriisi
Graafi esitetään tietokoneessa useimmiten matriisin avulla.
Graafin G = (V, E), V = {v1 , v2 , . . . , vn } vieruspistematriisi (adjacency matrix)on n × n matriisi
M = (Mij ), missä n on G:n pisteiden lukumäärä ja
(
0
Mij =
1
vi vj ∈
/ E,
vi vj ∈ E.
Vieruspistematriisi on aina symmetrinen.
Lause 7.1. Kaksi graafia ovat isomorfisia täsmälleen silloin kun niillä on yhteinen vieruspistematriisi. Kahdella
isomorfisella graafilla on täsmälleen samat vieruspistematriisit.
19 / 30
Graafin aste
Graafin G = (V, E) pisteen v naapurusto (neighbourhood) on joukko
NG (v) = {u ∈ V |vu ∈ E}
Pisteen v aste (degree) graafissa G degG (v) (lyhyemmin deg(v)) on v :n naapuruston pisteiden lukumäärä.
degG (v) = |NG (v)|.
Irtopiste: degG (v) = 0
lehti, loppupiste (leaf, endpoint): degG (v) = 1
20 / 30
9
Handshaking lemma
Lause 7.2.(Euler 1736, Handshaking lemma):
Jokaiselle graafille G = (V, E) on
X
degG (v) = 2|E|
v∈G
eli G:n pisteiden asteiden summa on kaksi kertaa G:n viivojen lukumäärä. Lisäksi parittoman asteen omaavien
pisteiden lukumäärä on aina parillinen
Tod. ...
21 / 30
Graafityyppejä
Graafi on nollagraafi, jos se ei sisällä yhtään pistettä.
Graafi on triviaali (trivial), jos se sisältää korkeintaan yhden pisteen.
Graafi G = KV on täydellinen graafi pistejoukossa V , jos se sisältää kaikki mahdolliset viivat eli jokainen piste
on kaikkien muiden pisteiden vieruspiste.
Kaikki täydelliset n pistettä sisältävät graafit ovat isomorfisia. Niitä merkitään Kn :llä.
Selvästi
|EKn | =
|EG | ≤
n(n − 1)
2
n(n − 1)
aina kun G on n:n pisteen graafi, n ≥ 1.
2
22 / 30
10
Graafin komplementti
Graafin G komplementti (complement)on graafi G, missä
VG = VG ja EG = {e ∈ E(V )|e ∈
/ EG }.
Täydellisten graafien komplementteja K n kutsutaan erillisiksi graafeiksi (discrete graphs).
23 / 30
Säännöllinen graafi
Graafi on säännöllinen (regular), jos jokaisella graafin pisteellä on sama aste.
Jos tämä aste on r , niin graafia kutsutaan r-säännölliseksi (r -regular).
Erillinen graafi on 0-säännöllinen.
Kn on n − 1-säännöllinen.
24 / 30
11
Petersenin graafi
Petersenin graafi on 3-säännöllinen.
25 / 30
Kaksijakoinen graafi
Kaksijakoinen(bipartite) graafi G = (V, E):
pistejoukolla V on sellainen ositus X , Y , että
jokaisen viivan uv ∈ E toinen päätepiste on joukon X ja toinen päätepiste joukon Y piste.
Silloin (X, Y ) on graafin G kaksijako (bipartition of G) ja G on (X, Y )-kaksijakoinen ((X, Y )-bipartite).
26 / 30
12
Kaksijakoiset graafit 2
Kaksijakoinen graafi G = (V, E) on täydellinen (m, k)-kaksijakoinen graafi (complete (m, k)-bipartite
graph), jos
|X| = m, |Y | = k ja uv ∈ E aina kun u ∈ X ja v ∈ Y .
Kaikki täydelliset (m, k)-kaksijakoiset graafit ovat isomorfisia keskenään. Merkitään niitä Km,k :lla
Graafi on täydellinen kaksijakoinen graafi, jos se on täydellinen (m, k)-kaksijakoinen graafi jollain luvuilla m, k .
Graafi K1,n on tähti (star).
27 / 30
Aligraafit
28 / 30
Määritelmiä
Määritelmä.
Graafi H = (VH , EH ) on graafin G = (VG , EG ) aligraafi (subgraph), jos VH ⊆ VG ja EH ⊆ EG .
Silloin merkitään H ⊆ G.
Jos H ⊆ G ja VH = VG , niin H on G:n virittävä aligraafi (spanning subgraph).
Viivojen osajoukko F ⊆ EG muodostaa yksikäsitteisen graafin G virittävän aligraafin
G[F ] = (VG , F ).
29 / 30
13
Indusoitu aligraafi
Jos H ⊆ G ja EH = EG ∩ E(VH ) (eli H sisältää kaikki G:n viivat, joiden molemmat päätepisteet ovat VH :n
pisteitä), niin H on pistejoukon VH indusoima G:n aligraafi (induced subgraph).
Pistejoukolla A ⊆ VG on olemassa yksikäsitteinen G:stä indusoitu aligraafi
G[A] = (A, EG ∩ E(A)).
30 / 30
14