Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2016/2017

Podobné dokumenty
Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2016/2017

Hlavolamy a teorie grafů

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2017/2018

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Definice 1 eulerovský Definice 2 poloeulerovský

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2018/2019

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2015/2016

Teorie grafů. Kostra grafu. Obsah. Radim Farana Podklady pro výuku pro akademický rok 2013/2014

10 Podgrafy, isomorfismus grafů

10 Přednáška ze

Drsná matematika III 10. demonstrovaná cvičení Kostry grafů

TGH02 - teorie grafů, základní pojmy

TGH02 - teorie grafů, základní pojmy

Grafy. RNDr. Petra Surynková, Ph.D. Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta.

4 Pojem grafu, ve zkratce

MATEMATIKA A 3 Metodický list č. 1

H {{u, v} : u,v U u v }

Obsah prezentace. Základní pojmy v teorii o grafech Úlohy a prohledávání grafů Hledání nejkratších cest

TGH02 - teorie grafů, základní pojmy

Základy informatiky. Teorie grafů. Zpracoval: Pavel Děrgel Úprava: Daniela Szturcová

Hledáme efektivní řešení úloh na grafu

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

TGH05 - aplikace DFS, průchod do šířky

TGH05 - aplikace DFS, průchod do šířky

Kreslení grafů na plochy Tomáš Novotný

2. LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

9 Stupně vrcholů, Věta Havla-Hakimiho

4EK311 Operační výzkum. 5. Teorie grafů

Fakulta elektrotechniky a informatiky Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava. Diskrétní matematika 2012/2013.

Základní pojmy teorie grafů [Graph theory]

Hamiltonovské kružnice, stromy, rovinné grafy

Základy informatiky. 07 Teorie grafů. Kačmařík/Szturcová/Děrgel/Rapant

HEURISTICKÉ ALGORITMY PRO ŘEŠENÍ ÚLOH OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO

Barevnost grafů MFF UK

Konstrukce relace. Postupně konstruujeme na množině všech stavů Q relace i,

Jan Březina. Technical University of Liberec. 21. dubna 2015

Úvod do Teorie grafů Petr Kovář

8 Přednáška z

TEORIE GRAFŮ TEORIE GRAFŮ 1

Stromové rozklady. Definice 1. Stromový rozklad grafu G je dvojice (T, β) taková, že T je strom,

Kurz operačního výzkumu pro posluchače kombinovaného studia na FAST VUT v systému MOODLE

Úvod do teorie grafů

Definice 5.1 Graf G = (V, E) je tvořen množinou vrcholů V a množinou hran, kde

Teorie grafů Jirka Fink

Diskrétní matematika. DiM /01, zimní semestr 2017/2018

Základy matematiky pro FEK

Jan Březina. 7. března 2017

Optimalizace. Obsah přednášky. DÚ LP - Okružní problém. Lineární optimalizace. DÚ LP - Okružní problém. DÚ LP - Okružní problém

5 Orientované grafy, Toky v sítích

Jan Březina. Technical University of Liberec. 30. dubna 2013

Graf. Uzly Lokality, servery Osoby fyzické i právní Informatické objekty... atd. Hrany Cesty, propojení Vztahy Informatické závislosti... atd.

Grafy. doc. Mgr. Jiří Dvorský, Ph.D. Katedra informatiky Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TU Ostrava. Prezentace ke dni 13.

DISKRÉTNÍ MATEMATIKA PRO INFORMATIKY II

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Dijkstrův algoritmus

Úvod do Teorie grafů Petr Kovář

2. přednáška 8. října 2007

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Teorie grafů. študenti MFF 15. augusta 2008

Teoretická informatika Tomáš Foltýnek Barvení grafů Platónská tělesa

Eulerovské tahy. Pan starosta se pana matematika v dopise tázal, jestli je možné začít na některém

Matematická analýza III.

Organizace. Zápočet: test týden semestru (pátek) bodů souhrnný test (1 pokus) Zkouška: písemná část ( 50 bodů), ústní část

Diskrétní matematika 1. týden

Kapitola 1. Grafy a podgrafy

Matematické důkazy Struktura matematiky a typy důkazů

PQ-stromy a rozpoznávání intervalových grafů v lineárním čase

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2014

VLASTNOSTI GRAFŮ. Doc. RNDr. Josef Kolář, CSc. Katedra teoretické informatiky, FIT České vysoké učení technické v Praze. BI-GRA, LS 2010/2011, Lekce 5

Matematická logika. Miroslav Kolařík

Komplexní analýza. Reziduová věta a její aplikace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Přijímací zkouška na MFF UK v Praze

Algoritmizace prostorových úloh

Metody síťové analýzy

Další NP-úplné problémy

Permutační grupy Cykly a transpozice Aplikace. Permutace. Rostislav Horčík: Y01DMA 11. května 2010: Permutace 1/17

Problém obchodního cestujícího(tsp) Vstup: Množina n měst a vzdálenosti mezi nimi. Výstup: Nejkratší okružní cesta procházející všemi městy.

Drsná matematika III 9. přednáška Rovinné grafy: Stromy, konvexní mnohoúhelníky v prostoru a Platónská tělesa

TGH12 - Problém za milion dolarů

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

V předchozí vyučovací hodině se žáci s problematikou kreslení obrázků jedním tahem teprve začali seznamovat a to zábavnou formou.

Kapitola 11. Vzdálenost v grafech Matice sousednosti a počty sledů

Kostry. 9. týden. Grafy. Marie Demlová (úpravy Matěj Dostál) 16. dubna 2019

Matematická analýza pro informatiky I. Limita funkce

Modely teorie grafů, min.kostra, max.tok, CPM, MPM, PERT

Teorie grafů. Teoretická informatika Tomáš Foltýnek

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

1. Toky, řezy a Fordův-Fulkersonův algoritmus

VYUŽITÍ NĚKTERÝCH METOD TEORIE GRAFŮ PŘI ŘEŠENÍ DOPRAVNÍCH PROBLÉMŮ

Disjunktivní a konjunktivní lní tvar formule. 2.přednáška

Bipartitní grafy. Karel Klouda c KTI, FIT, ČVUT v Praze 28. března, letní semestr 2010/2011

nelze projít pomocí tzv. eulerovského tahu tedy, nelze nakreslit jedním tahem

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

Definice barevnosti grafu, základní vlastnosti. Varinaty problému barvení.

Zajímavé aplikace teorie grafů

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Modulární systém dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků JmK. v přírodních vědách a informatice CZ.1.07/1.3.10/

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Transkript:

Diskrétní matematika Petr Kovář petr.kovar@vsb.cz Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava DiM 470-2301/01, zimní semestr 2016/2017

O tomto souboru Tento soubor je zamýšlen především jako pomůcka pro přednášejícího. Řadu důležitých informací v souboru nenajdete, protože přednášející je říká, ukazuje, případně maluje na tabuli. Přednášky jsou na webu k dispozici, aby studenti mohli snadno dohledat probíraná témata z přednášek, které zameškali. Pro samostatné studium doporučuji skripta: M. Kubesa: Základy diskrétní matematiky, výukový text P. Kovář: Úvod do teorie grafů, výukový text Pro přípravu ke zkoušce a písemkám doporučuji cvičebnici: P. Kovář: Cvičení z diskrétní matematiky, sbírka příkladů Vše na http://homel.vsb.cz/~kov16/predmety dm.php

Přehled přednášky Kapitola Eulerovské a hamiltonovské grafy motivace eulerovské grafy jedním tahem hamiltonovské grafy a obchodní cestující

Eulerovské grafy Historicky první problém vyřešený pomocí Teorie grafů 1736: Problém sedmi mostů města Královce hledání tahu, který obsahuje všechny hrany daného grafu G.

Příklad Pošt ák má za úkol roznést poštu do každé ulice ve svém okrsku. Může každou ulicí procházel jen jednou nachodí se tak co nejméně a poštu doručí dříve. Představme si graf, který modeluje ulice okrsku tak, že hrany odpovídají ulicím a křižovatky vrcholům grafu. Pošt ákova úloha tak přesně odpovídá hledání tahu, který obsahuje každou hranu právě jednou. Podobně můžeme plánovat trasu sněžné frézy, která odkĺızí chodníky, popeláři, kropící vozy... Příklad v 3 v 4 x 5 x 4 x 3 v 1 v 2 x 1 x 2 Lze tento graf (resp. jeho hrany) nakreslit jedním tahem?

Definice Tah v grafu G, který začíná a končí ve stejném vrcholu, se nazývá uzavřený tah. Jestliže navíc obsahuje všechny hrany souvislého grafu G, máme uzavřený eulerovský tah. Graf, ve kterém existuje uzavřený eulerovský tah, se nazývá eulerovský graf. Tah v souvislém grafu G, který obsahuje všechny hrany grafu G a výchozí vrchol se liší od koncového vrcholu, se nazývá otevřený eulerovský tah. Říkáme, že takový graf lze nakreslit jedním tahem. Eulerova věta Graf G lze nakreslit jedním uzavřeným tahem právě tehdy, když je G souvislý a všechny jeho vrcholy jsou sudého stupně. Užitím elegantního triku snadno ukážeme: Důsledek Graf G lze nakreslit jedním otevřeným tahem právě tehdy, když je G souvislý a právě dva jeho vrcholy jsou lichého stupně.

Věta Graf G lze nakreslit jedním uzavřeným tahem právě tehdy, když je G souvislý a všechny jeho vrcholy jsou sudého stupně. Důkaz Indukcí vzhledem k počtu hran (jen naznačena implikace ). Základ indukce: Lze použít triviální graf. Pro netriviální souvislý graf G je každý vrchol stupně alespoň 2. Nejmenší takový graf je G = C n. Cyklus C n je jistě možno nakreslit jedním uzavřeným tahem (proč?). Indukční krok: Předpokládejme, že každý souvislý graf G se sudými stupni a s méně než E(G) hranami je možno nakreslit jedním uzavřeným tahem. V G najdeme cyklus C (každý vrchol je stupně alespoň 2). V grafu G C jsou vrcholy sudého stupně a nebo izolované vrcholy. Pokud G C není souvislý, lze každou jeho komponentu dle indukčního předpokladu nakreslit jedním tahem. Nyní přidáme do cyklu C uzavřený tah pro každý vrchol další v i, který leží v některé komponentě. Získáme uzavřený tah grafem G. Podle principu (silné) matematické indukce je důkaz hotov.

Důsledek Graf G lze nakreslit jedním otevřeným tahem právě tehdy, když je G souvislý a právě dva jeho vrcholy jsou lichého stupně. Důkaz Můžeme-li graf G nakreslit jedním otevřeným tahem, tak G je souvislý a všechny vrcholy jsou sudého stupně s výjimkou prvního a posledního vrcholu otevřeného tahu. Mám-li souvislý graf G s právě dvěma vrcholy u, v lichého stupně, můžeme do grafu G přidat nový vrchol x, který spojíme (novými) hranami s vrcholy u, v a dostaneme souvislý graf G, ve kterém jsou všechny vrcholy (i vrcholy u, v, x) sudého stupně. Podle Eulerovy věty v grafu G existuje uzavřený eulerovský tah T. Vynecháním vrcholu x a obou přidaných hran dostaneme otevřený eulerovský tah T mezi vrcholy u a v v grafu G.

Příklady u 5 u 4 u 3 u 2 v 3 v 6 v 7 v 2 u 6 u 1 u 7 u 8 u 9 u 10 v 1 v 4 w 1 v5 w 2 w 7 w 6 w 3 w 8 w 9 w 5 w 4 Které z uvedených grafů lze nakreslit jedním tahem?

Eulerovské tahy lze použít i pro řešení jiných problémů, než putování v mapě. Pěkné využití eulerovských grafů: Příklad Vrcholy stavového grafu nějakého systému odpovídají možným stavům, které mohou nastat, a hrany spojují stavy, mezi kterými existuje legální přechod například konečné automaty. Při testu systému bychom rádi prověřili všechny možné stavy a přechody mezi nimi. Optimální test můžeme naplánovat podle eulerovského tahu grafem.

Hamiltonovské grafy Definice Hamiltonovský cyklus v grafu je takový cyklus, který prochází všemi vrcholy. Graf, ve kterém existuje hamiltonovský cyklus, se nazývá hamiltonovský graf. Hamiltonovský cyklus prochází každým vrcholem právě jedenkrát. Na první pohled se zdá, že hledání hamiltonovského cyklu je velmi podobné hledání eulerovskému tahu. Není tomu tak! Zatímco pro rozhodnutí o existenci eulerovského tahu v souvislém grafu je nutnou i dostatečnou podmínkou sudost všech stupňů, pro existenci hamiltonovského cyklu žádná taková podmínka není známa (asi neexistuje). Důsledek: obecně není lehké rozhodnout, zda daný graf je hamiltonovský.

Příklad Problém obchodního cestujícího, který má navštívit všechna města svého regionu, vrátit se do výchozího města a přitom nacestovat co nejkratší vzdálenost. Zjednodušená verze: může navštívit každé město s alespoň 500 obyvateli právě jednou a vrátit se zpět? Optimální řešení úlohy obchodního cestujícího pro 13 509 měst v USA.

Příklad Pošt ák na vesnici roznáší obvykle jen málo poštovních zásilek. Spíš než projít každou ulici, musí pošt ák navštívit všechny adresy (domy), do kterých má doručit nějakou zásilku. Příklad Ve velkoskladu se při navážení nebo předávání zboží rozváží paleta, nebo třeba několik palet s různým zbožím na určitá místa ve skladu. Vozík má opět za úkol navštívit všechna vybraná místa a přitom urazit co nejkratší vzdálenost. Všechny uvedené úlohy odpovídají nalezení hamiltonovského cyklu, případně nejkratšího hamiltonovského cyklu v grafu.

Příklady Které následující grafy jsou a které nejsou hamiltonovské? Hamiltonovské a nehamiltonovské grafy. Příklady Další úlohy vedoucí na hledání hamiltonovského cyklu rodinný výlet po turistických zajímavostech divadelní nebo cirkusové turné po republice Hamiltonova hra

Diracova věta Mějme graf G na n vrcholech, kde n 3. Je-li nejmenší stupeň vrcholů v grafu alespoň n/2, tak je graf G hamiltonovský. Důkaz V předmětu Teorie Grafů I. Všimněte si: věta má tvar implikace, nikoli ekvivalence. Proto graf, který splňuje podmínky věty je hamiltonovský, ale ne každý hamiltonovský graf musí podmínky věty splňovat. Příklad Příklad grafu, který je jistě hamiltonovský, ale nemá mnoho hran. Cyklus C 7.

Oreho věta Mějme graf G na n vrcholech, kde n 3. Jestliže pro každé dva nesousední vrcholy u a v v grafu G platí deg(u) + deg(v) n, tak je graf G hamiltonovský. Diracova věta je speciálním případem Oreho věty. Příklad Je následující graf hamiltonovský? u 4 u 7 u 2 u3 u 1 u 5 u 6

Proč se říká hamiltonovské grafy?

Příště Kapitola Vzdálenost a metrika motivace vzdálenost v grafu výpočet metriky vzdálenost v ohodnocených grafech hledání nejkratší cesty