Một số khái niệm cơ bản về lý thuyết đồ thị.pdf (tài liệu học đại học)

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Chương 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ 1. Định nghĩa đồ thị Đồ thị là một cấu trúc rời rạc bao gồm các đỉnh và các cạnh nối các đỉnh này, các loại đồ thị khác nhau được phân biệt bởi kiểu và số lượng cạnh nối hai đỉnh nào đó của đồ thị. Giả sử V là tập hữu hạn, không rỗng các phần tử nào đó. Bộ G = (V,E) được gọi là đồ thị hữu hạn. Mỗi phần tử của V gọi là một đỉnh và mỗi phần tử u = (x,y) của E được gọi là một cạnh của đồ thị G = (V,E). Xét một cạnh u của E khi đó tồn tại hai đỉnh x, y của V sao cho u = (x,y), ta nói rằng x nối với y hoặc x và y phụ thuộc u. - Nếu cạnh u = (x,y) mà x và y là hai đỉnh phân biệt thì ta nói x, y là hai đỉnh kề nhau. - Nếu u = (x,x) thì u là cạnh có hai đỉnh trùng nhau ta gọi đó là một khuyên. - Nếu u = (x,y) mà x, y là cặp đỉnh có phân biệt thứ tự hay có hướng từ x đến y thì u là một cung, khi đó x là gốc còn y là ngọn hoặc x là đỉnh ra, y là đỉnh vào. - Khi giữa cặp đỉnh (x,y) có nhiều hơn một cạnh thì ta nói rằng những cạnh cùng cặp đỉnh là những cạnh song song hay là cạnh bội. b y a) x y b) Hình 1.1 y x c) Thí dụ ở hình 1.1 (a) tại đỉnh y có một khuyên b. (b) là cung (x,y) có hướng. (c) cặp đỉnh (x,y) tạo thành cạnh bội. Trong thực tế ta có thể gặp nhiều vấn đề mà có thể dùng mô hình đồ thị để biểu diễn, như sơ đồ mạng máy tính, sơ đồ mạng lưới giao thông, sơ đồ thi công một công trình. Thí dụ 1. Xét một mạng máy tính, có thể biểu diễn mạng này bằng một mô hình đồ thị, trong đó mỗi máy tính là một đỉnh, giữa các máy được nối với nhau bằng các dây truyền, chúng tương ứng là các cạnh của đồ thị. Một mô hình mạng máy tính như hình 1.2 trong đó các máy tính a, b , c, d tương ứng là các đỉnh, giữa hai máy được nối trực tiếp với nhau thì tương ứng với một cặp đỉnh kề nhau. 1 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. a b c d Hình 1.2 Định nghĩa 1. Đơn đồ thị vô hướng G = (V,E) bao gồm V là các tập đỉnh và E là các tập các cặp không có thứ tự gồm hai phần tử khác nhau của V gọi là các cạnh. Thí dụ 2. b a e g d h c l k i Hình 2. Sơ đồ máy tính là đơn đồ thị vô hướng Trong trường hợp giữa hai máy tính nào đó thường xuyên phải tải nhiều thông tin người ta phải nối hai máy này bởi nhiều kênh thoại. Mạng với đa kênh thoại giữa các máy được cho trong hình 3. b a e d c l g k h i Hình 3. Sơ đồ mạng máy tính với đa kênh thoại Định nghĩa 2. Đa đồ thị vô hướng G = (V,E) bao gồm V là tập các đỉnh, và E là họ các cặp không có thứ tự gồm hai phần tử khác nhau của V gọi là các cạnh. Hai cạnh e1 và e2 được gọi là cạnh lặp nếu chúng cùng tương ứng với một cặp đỉnh. 2 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. a e b g d c l h k i Hình 4. Sơ đồ mạng máy tính với đa kênh thông báo Rõ ràng mỗi đơn đồ thị là đa đồ thị, nhưng không phải đa đồ thị nào cũng là đơn đồ thị, vì trong đa đồ thị có thể có hai (hoặc có nhiều hơn) cạnh nối một cặp đỉnh nào đó. Trong mạng máy tính có thể có những kênh thoại nối một máy nào đó với chính nó (chẳng hạn với mục đích thông báo). Mạng như vậy được cho trong hình 4. Khi đó đa đồ thị không thể mô tả được mạng như vậy, bởi vì có những khuyên(cạnh nối một đỉnh với chính nó). Trong trường hợp này chúng ta cần sử dụng đến khái niệm giả đồ thị vô hướng, được định nghĩa như sau. Định nghĩa 3. Giả đồ thị vô hướng G = (V,E) bao gồm V là các tập đỉnh, và E là họ các cặp không có thứ tự (không nhất thiết phải khác nhau) của V gọi là các cạnh. Cạnh e được gọi là khuyên nếu nó có dạng e = (u,u). Các kênh thoại trong mạng máy tính có thể chỉ cho phép truyền tin theo một chiều. Chẳng hạn trong hình 5 máy chủ ở a chỉ có thể nhận tin từ các máy ở máy khác, có một số máy chỉ có thể gửi tin đi, còn các kênh thoại cho phép truyền tin theo cả hai chiều được thay thế bởi hai cạnh có hướng ngược chiều nhau. b a e d c l g k h i Hình 5. Mạng máy với các kênh thoại một chiều Ta đi đến định nghĩa sau. Định nghĩa 4. Đơn đồ thị có hướng G = (V,E) bao gồm V là các tập đỉnh và E là các cặp có thứ tự gồm hai phần tử khác nhau của V gọi là các cung. 3 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Nếu trong mạng có thể có đa kênh thoại một chiều, ta sẽ phải sử dụng đến khái niệm đa đồ thị có hướng: Định nghĩa 5. Đa đồ thị có hướng G = (V,E) bao gồm V là các tập đỉnh và E là họ các cặp có thứ tự gồm hai phần tử khác nhau của V gọi là các cung. Hai cung e1, e2 tương ứng cùng với một cặp đỉnh được gọi là cung lặp. Trong các phần tử tiếp theo chủ yếu chúng ta sẽ làm việc với đơn đồ thị vô hướng và đơn đồ thị có hướng. Vì vậy, để ngắn gọn, ta bỏ qua tính từ đơn khi nhắc đến chúng. 2. Các thuật ngữ cơ bản Trong phần này chúng ta sẽ trình bày một số thuật ngữ cơ bản của lý thuyết đồ thị. Trước tiên, ta xét các thuật ngữ mô tả các đỉnh và cạnh của đồ thị vô hướng. Định nghĩa 1. Hai đỉnh u và v của đồ thị vô hướng G được gọi là kề nhau nếu (u,v) là cạnh của đồ thị G. Nếu e = (u,v) là cạnh của đồ thị thì ta nói cạnh này là liên thuộc với hai đỉnh u và v, hoặc cũng nói là cạnh e là nối đỉnh u và đỉnh v, đồng thời các đỉnh u và v sẽ được gọi là các đỉnh đầu của cạnh (u,v). Để có thể biết có bao nhiêu cạnh liên thuộc với một cạnh, ta đưa vào định nghĩa sau. Định nghĩa 2. Ta gọi bậc của đỉnh v trong đồ thị vô hướng là số cạnh liên thuộc với nó và sẽ ký hiệu là deg(v). a b c d f e g Hình 1. Đồ thị vô hướng G Thí dụ 1. Xét đồ thị trong hình 1 ta có. deg(a) = 1, deg(b) = 4, deg(c) = 4, deg(f) = 3, deg(d) = 1, deg(e) = 3, deg(g) = 0. Đỉnh bậc 0 gọi là đỉnh cô lập. Đỉnh bậc 1 gọi là đỉnh treo. Trong ví dụ trên đỉnh g là đỉnh cô lập, a và d là các đỉnh treo. Bậc của đỉnh có các tính chất sau: Định lý 1. Giả sử G = (V,E) là đồ thị vô hướng với m cạnh. Khi đó 2m   deg(v) vV 4 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Chứng minh. Rõ ràng mỗi cạnh e = (u,v) được tính một lần trong deg(u) và một lần trong deg(v). Từ đó suy ra tổng tất cả các bậc của các đỉnh bằng hai lần số cạnh. Hệ quả. Trong đồ thị vô hướng, số đỉnh bậc lẻ (nghĩa là đỉnh có bậc là số lẻ) là một số chẵn. Chứng minh. Thực vậy gọi V1 và V2 tương ứng là tập chứa các đỉnh bậc lẻ và tập chứa các đỉnh bậc chẵn của đồ thị. Ta có 2m   deg(v )  vV  deg(v)   deg(v) vV1 vV2 Do deg(v) chẵn với v là đỉnh trong U nên tổng thứ hai trong vế phải ở trên là số chẵn. Từ đó suy ra tổng thứ nhất (chính là tổng bậc của các đỉnh lẻ) cũng phải là số chẵn, do tất cả các số hạng của nó sẽ là số lẻ nên tổng này phải gồm một số chẵn các số hạng. Vì vậy số đỉnh bậc lẻ phải là số chẵn. Ta xét các thuật ngữ tương tự cho đồ thị có hướng. Định nghĩa 3. Nếu e = (u,v) là cung của đồ thị có hướng G thì ta nói hai đỉnh u và v là kề nhau, và nói cung (u,v) nối đỉnh u với đỉnh v hoặc cũng nói cung này là đi ra khỏi đỉnh u và đi vào đỉnh v. Đỉnh u(v) sẽ được gọi là đỉnh đầu(cuối) của cung (u,v). Định nghĩa 4. Ta gọi bán bậc ra (bán bậc vào) của đỉnh v trong đồ thị có hướng là số cung của đồ thị đi ra khỏi nó (đi vào nó) và ký hiệu là deg+(v)(deg-(v)). a b e d c Hình 2. Đồ Thị có hướng G Thí dụ 3. Xét đồ thị cho trong hình 2. Ta có deg-(a) = 1, deg-(b) = 2, deg-(c) = 2, deg-(d) = 2, deg-(e) = 2. deg+(a) = 3, deg+(b) = 1, deg+(c) = 1, deg+(d) = 2, deg+(e) = 2. Do mỗi cung (u,v) sẽ được tính một lần trong bán bậc vào của đỉnh v và một lần trong bán bậc ra của đỉnh u nên ta có: Định lý 2. Giả sử G = (V,E) là đồ thị có hướng. Khi đó  deg  (v)   deg  (v) | E | vV vV 5 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Rất nhiều tính chất của đồ thị có hướng không phụ thuộc vào hướng trên các cung của nó. Vì vậy, trong rất nhiều trường hợp sẽ thuận tiện hơn nếu ta bỏ qua hướng trên các cung của đồ thị. Đồ thị vô hướng thu được bằng cách bỏ qua hướng trên các cung được gọi là đồ thị vô hướng tương ứng với đồ thị có hướng đã cho. 3. Đường đi, chu trình. Đồ thị liên thông. Định nghĩa 1. Đường đi độ dài n từ đỉnh u đến đỉnh v, trong đó n là số nguyên dương, trên đồ thị vô hướng G = (V,E) là dãy x0, x1,…, xn-1, xn Trong đó u = x0, v = xn, v = (xi, xi+1)  E, i = 0,1,2,…, n-1. Đường đi nói trên còn có thể biểu diễn dưới dạng dãy các cạnh: (x0,x1), (x1,x2),…, (xn-1,xn). Đỉnh u gọi là đỉnh đầu, còn đỉnh v gọi là đỉnh cuối của đường đi. Đường đi có đỉnh đầu trùng với đỉnh cuối (tức là u = v) được gọi là chu trình. Đường đi hay chu trình được gọi là đơn nếu như không có cạnh nào bị lặp lại. Thí dụ 1. Trên đồ thị vô hướng cho hình 1: a, d, c, f, e là đường đi đơn độ dài 4. Còn d, e, c, a không là đường đi, do (e,c) không phải là cạnh của đồ thị. Dãy b, c, f, e, b là chu trình độ dài 4. Đường đi a, b, e, d, a, b có độ dài là 5 không phải là đường đi đơn, do cạnh (a,b) có mặt trong nó hai lần. a b c a b c d e f d e f Hình 3. Đường đi trên đồ thị Khái niệm đường đi và chu trình trên đồ thị có hướng được định nghĩa hoàn toàn tương tự như trường hợp đồ thị vô hướng, chỉ khác là ta có chú ý đến hướng trên các cung. Định nghĩa 2. Đường đi độ dài n từ đỉnh u đến đỉnh v, trong đó n là số nguyên dương, trên đồ thị có hướng G = (V,A) là dãy x0, x1,…, xn-1, xn trong đó u = x0, v = xn, (xi, xi+1)  A, i = 0, 1, 2,…, n-1. Đường đi nói trên còn có thể biểu diễn dưới dạng dãy các cung: (x0, x1), (x1, x2), (xn-1, xn). Đỉnh u gọi là đỉnh đầu, còn đỉnh v gọi là đỉnh cuối của đường đi. Đường đi có đỉnh đầu trùng với đỉnh cuối (tức là u = v) được gọi là chu trình. Đường đi hay chu trình được gọi là đơn nếu như không có cạnh nào bị lặp lại. 6 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Thí dụ 2. Trên đồ thị có hướng cho ở hình 3: a  d  c  f  e là đường đi đơn độ dài 4. Còn d  e  c  a không là đường đi, do (e,c) không phải là cạnh của đồ thị. Dãy b, c, f, e, b là chu trình độ dài 4. Đường đi a  b e d a b có độ dài là 5 không phải là đường đi đơn, do cạnh (a,b) có mặt trong nó hai lần. Xét một mạng máy tính. Một câu hỏi đặt ra là hai máy tính bất kỳ trong mạng này có thể trao đổi thông tin được với nhau hoặc là trực tiếp qua kênh nối chúng hoặc thông qua một hoặc vài máy trung gian trong mạng? Nếu sử dụng đồ thị để biểu diễn mạng máy tính này (trong đó các đỉnh của đồ thị tương ứng với các máy tính, còn các cạnh tương ứng của các kênh nối) câu hỏi đó được phát biểu trong ngôn ngữ đồ thị như sau: Tồn tại hay chăng đường đi giữa mọi cặp đỉnh của đồ thị? Định nghĩa 3. Đồ thị vô hướng G = (V,E) được gọi là liên thông nếu luôn tìm được đường đi giữa hai đỉnh bất kỳ của nó. Như vậy hai máy tính bất kỳ trong mạng có thể trao đổi thông tin được với nhau khi và chỉ khi đồ thị tương ứng với mạng này là đồ thị liên thông. Thí dụ 3. Trong hình 2: Đồ thị G là liên thông, còn đồ thị H là không liên thông. a b H1 c d e g H2 e H3 H G Hình 2. Đồ thị liên thông G và đồ thị H gồm 3 thành phần liên thông H1, H2, H3. II. MỘT SỐ THUẬT TOÁN TRÊN ĐỒ THỊ 1 Thuật toán tìm kiếm trên đồ thị 1.1 Tìm kiếm theo chiều sâu trên đồ thị Ý tưởng chính của thuật toán có thể trình bày như sau. Ta sẽ bắt đầu tìm kiếm từ một đỉnh v0 nào đó của đồ thị. Sau đó chọn u là một đỉnh tuỳ ý kề với v0 và lặp lại quá trình đối với u. Ở bước tổng quát, giả sử ta đang xét đỉnh v, Nếu nhử tổng số các đỉnh kề với v tìm được đỉnh w là chưa được xét thì ta sẽ xét đỉnh này( nó sẽ trở thành đã xét) và bắt đầu từ nó ta sẽ tiếp tục quá trình tìm kiếm. Còn nếu như không còn đỉnh nào kề với v là chưa xét thì ta sẽ nói rằng đỉnh này là đã duyệt xong và quay trở 7 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. lại tiếp tục tìm kiếm từ đỉnh mà trước đó ta đến được đỉnh v (nếu v = v0, thì kết thúc tìm kiếm). Có thể nói nôm na là tìm kiếm theo chiều sâu bắt đầu từ đỉnh v được thực hiện trên cơ sở tìm kiếm theo chiều sâu từ tất cả các đỉnh chưa xét kề với v. Quá trình này có thể mô tả bởi thủ tục đệ qui sau đây. Procedure DFS(v); (* Tìm kiếm theo chiều sâu bắt đầu từ đỉnh v; Các biến Chuaxet, Ke, là toàn cục *) Begin Thăm_đỉnh(v); Chuaxet[v] := false; for u  Ke(v) do if Chuaxet[u] then DFS(u); end; (* đỉnh v là đã duyệt xong *) Khi đó, tìm kiếm theo chiều sâu trên đồ thị được thực hiện nhờ thuật toán sau: BEGIN (* Initialiation *) for v  V do Chuaxet[u] := true; for v  V do if Chuaxet[v] then DFS(v); END. Rõ ràng lệnh gọi DFS(v) sẽ cho phép đến thăm tất cả các đỉnh thuộc cùng thành phần liên thông với đỉnh v, bởi vì sau khi thăm đỉnh là lệnh gọi đến thủ tục DFS đối với tất cả các đỉnh kề với nó. Mặt khác, do mỗi khi thăm đỉnh v xong, biến Chuaxet[v] được đặt lại giá trị false nên mỗi đỉnh sẽ được thăm đúng một lần. Thuật toán lần lượt sẽ tiến hành tìm kiếm từ các đỉnh chưa được thăm, vì vậy, nó sẽ xét qua tất cả các đỉnh của đồ thị (không nhất thiết phải là liên thông). Để đánh giá độ phức tạp tính toán của thủ tục, trước hết nhận thấy rằng số phép toán cần thực hiện trong hai chu trình của thuật toán( hai vòng for của chương trình chính) là cỡ n. Thủ tục DFS phải thực hiện không quá n lần. Tổng số phép toán cần phải thực hiện trong các thủ tục này là O(n+m), do trong các thủ tục này ta phải xét qua tất cả các cạnh và các đỉnh của đồ thị. Vậy độ phức tạp tính toán của thuật toán là O(n+m). Thí dụ 1. Xét đồ thị cho trong Hình 1. Các đỉnh của nó được đánh số lại theo thứ tự chúng được thăm theo thủ tục tìm kiếm theo chiều sâu mô tả ở trên. Giả thiết rằng các đỉnh trong danh sách kề của đỉnh v (Ke(v)) được sắp xếp theo thứ tự tăng dần của chỉ số. 8 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 3(9) 2(2) 5(5) 7(8) 8(6) 6(4) 1(1) 4(3) 9(7) 12(11) 13(10) 10(12) 11(13) Hình 1. Chỉ số mới (trong ngoặc) của các đỉnh được đánh lại theo thứ tự chúng được thăm trong thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu Thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu trên đồ thị vô hướng trình bày ở trên dễ dàng có thể mô tả lại cho đồ thị có hướng. Trong trường hợp đồ thị có hướng, thủ tục DFS(v) sẽ cho phép thăm tất cả các đỉnh u nào mà từ v có đường đi đến u. Độ phức tạp tính toán là O(n+m). 1.2 Tìm kiếm theo chiều rộng trên đồ thị Để ý rằng trong thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu đỉnh được thăm càng muộn sẽ càng sớm trở thành đã duyệt xong. Điều đó là hệ quả tất yếu của việc các đỉnh được thăm sẽ được kết nạp vào trong ngăn xếp (STACK). Tìm kiếm theo chiều rộng trên đồ thị, nếu nói một cách ngắn gọn, được xây dựng dựa trên cơ sở thay thế ngăn xếp (STACK) bởi hang đợi (QUEUE). Với sự cải biên như vậy, đỉnh được thăm càng sớm sẽ trở thành đã duyệt song (tức là càng sớm dời khỏi hang đợi). Một đỉnh trở thành đã duyệt xong ngay sau khi ta xét xong tất cả các đỉnh kề (chưa được thăm) với nó. Thủ tục có thể mô tả như sau: Procedure BFS(v); (* Tìm kiếm theo chiều rộng bắt đầu từ đỉnh v; Các biến Chuaxet, Ke là biến toàn cục *) begin QUEUE:= ; QUEUE:<= v; (* Kết nạp v vào QUEUE *) Chuaxet[v]:= false; While QUEUE   do begin p <= QUEUE; (* Lấy p từ QUEUE *) Thăm_đỉnh(p); for u  Ke(v) do 9 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. if Chuaxet[u] then begin QUEUE <= u; Chuaxet[u]:= false; end; end; end; Khi đó, tìm kiếm theo chiều rộng trên đồ thị được thực hiện nhờ thuật toán sau: BEGIN (* Initialization *) for v  V do Chuaxet[v]:= true; for v  V do if Chuaxet[v] then BFS(v); END. Lập luận tương tự như trong thủ tục tìm kiếm theo chiều sâu, có thể chỉ ra được rằng lệnh gọi BFS(v) sẽ cho phép đến thăm tất cả các đỉnh thuộc cùng thành phần liên thông với đỉnh v, và mỗi đỉnh của đồ thị sẽ được thăm đúng một lần. Độ phức tạp tính toán của thuật toán là O(n+m). Thí dụ 2. Xét đồ thị trong Hình 2. Thứ tự thăm đỉnh của đồ thị này theo thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng được ghi trong ngoặc. 3(12) 2(2) 5(9) 7(6) 8(13) 6(5) 1(1) 4(3) 9(10) 12(4) 13(11) 10(7) 11(8) Hình 2. Chỉ số mới (trong ngoặc) của các đỉnh được đánh lại theo thứ tự chúng được thăm trong thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng 1.3 Tìm đường đi và kiểm tra tính liên thông Trong mục này ta xét ứng dụng các thuật toán tìm kiếm mô tả trong các mục trước vào việc giải bài toán cơ bản trên đồ thị: Bài toán tìm đường đi và bài toán về xác định các thành phần liên thông của đồ thị. 10

Một số khái niệm cơ bản về lý thuyết đồ thị

Nội dung