Реферат: Свойства операций над множествами
Название: Свойства операций над множествами Раздел: Рефераты по математике Тип: реферат | ||||||||
Содержание 1. Свойства операций над множествами................................................. 2. Смежность и инцидентность. Степени вершины графа...................... 3. Определение транспортной сети......................................................... 1.Свойства операций над множествами Из определений объединения и пересечения множеств следует, что операции пересечения и объединения обладают следующими свойствами: 1. Коммутативность.
2. Ассоциативность. 3. Дистрибутивность. 4. 5. 6. Законы де Моргана (законы двойственности). 1) 2) Доказательство данных свойств проводится на основе определения равенства двух множеств. Заметим, что закон ассоциативности при комбинировании операций объединения и вычитания, вообще говоря, не имеет места. B = {3; 4; 5; 6} A \ B= {1; 2}
Но 2.Смежность и инцидентность. Степени вершины графа Определение. Если е = {v, w} – ребро графа, то вершиныv , w называются концами ребра е ; в этом случае также говорят, что ребро е соединяет вершины v , w . Определение. Если е = {v, w} – дуга орграфа, то вершинаv называется началом, а вершина w – концом дуги е ; в этом случае также говорят, что дуга е исходит из вершины v и заходит в вершину w . Между элементами множества вершин и множества ребер определено отношение инцидентности. Говорят, что ребро е инцидентно вершинам v , w , если оно соединяет эти вершины и наоборот, каждая из вершин v , w инцидентна ребру е . Определение. Две вершины называются смежными, если существует ребро, концами которого они являются. Два ребра называются смежными, если они имеют общую вершину. Определение. Степенью вершиныv графа G называется число d(v) ребер графа, которым инцидентна эта вершина. Определение. Вершина, локальная степень которой равна 0, называется изолированной; степень которой равна 1 – висячей. Замечание. В случае неориентированного псевдографа обычно считается, что вклад каждой петли, инцидентной некоторой вершине v , равен 2 (тогда как вклад любого другого ребра, инцидентного вершине v , равен 1). Определение. Полустепенью исхода (захода) вершиныv орграфа D называется число d+ (v) (d- (v)) дуг орграфа D , исходящих из вершины v (заходящих в вершину v ). Замечание. В случае ориентированного псевдографа вклад каждой петли, инцидентной некоторой вершине v , равен 1, как в d+ (v) , так и в d- (v) . Количество вершин и ребер в графе G обозначим соответственно через n(G) и m(G) , а количество вершин и дуг в орграфе D – через n(D) и m(D) . Утверждение. Для любого псевдографа G выполняется равенство Утверждение. Для любого ориентированного псевдографа в выполняется равенство Пример. Найти локальные степени графа (рис. 1) и орграфа (рис. 2). Решение.
3.Определение транспортной сети В теории графов транспортная сеть — ориентированный графG
= (V
,E
), в котором каждое ребро Целочисленная транспортная сеть — транспортная сеть, все пропускные способности ребер которой — целые числа. Транспортная сеть (flow network) — ориентированный граф
Поток (flow) — функция
Величиной потока (value of flow) называется сумма потоков из источника Задача о максимальном потоке (maximum flow problem): найти поток f такой, что величина потока максимальна. Разрез (s-t cut) — разбиение множества всех вершин V на два подмножества, A и B, таких что Пропускная способность разреза (A,B) (the capacity of an s-t cut (A,B) ) — сумма пропускных способностей всех рёбер из A в B Поток через разрез (A,B) — сумма всех потоков из A в B Минимальный разрез - разрез с минимальной пропускной способностью. Остаточная пропускная способность (residual capacity) ребра Остаточная сеть (residual network) Увеличивающий (остаточный, дополняющий) путь (augmenting path) — это путь Свойства 1.Поток через любой разрез равен сумме потоков из источника. Доказательство: пускай есть разрез (A,B). Рассмотрим сумму всех потоков из всех вершин, принадлежащих А. Она равна В первой из сумм для любой пары вершин (u,v) есть два слагаемых f(u,v) и f(v,u), равных по модулю и противоположных по знаку. Следовательно, эта сумма равна нулю. Вторая сумма есть поток через разрез (A,B). Следовательно, сумма всех потоков из всех вершин, принадлежащих А, равна потоку через разрез. С другой стороны, сумма потоков из любой вершины, кроме s и t, равна нулю, а 2.Сумма потоков из источника равна сумме потоков в сток. Доказательство: рассмотрим разрез 3.Максимальный поток положителен тогда и только тогда, когда существует путь из источника в сток, проходящий по рёбрам с положительной пропускной способностью. Доказательство: Пускай такой путь P существует. Пусть c - минимальная из пропускных способностей рёбер, принадлежащих P. Пускай поток равен c на всех рёбрах из P, и нулю на всех остальных рёбрах. Тогда суммарный поток из источника равен c, то есть положителен. Теперь допустим, что такого пути нет, то есть t недостижимо из s по рёбрам с положительной пропускной способностью. Пусть A - множество вершин, достижимых из s по таким рёбрам, B - недостижимых. Тогда, поскольку 4.Поток максимален тогда и только тогда, когда нет увеличивающего пути в остаточной сети. Доказательство: пускай такой путь P есть. Пусть c - минимальная из пропускных способностей рёбер, принадлежащих P, в остаточной сети. Для всех пар 5.Теорема Форда-Фалкерсона. Величина максимального потока равна пропускной способности минимального разреза. Доказательство: сумма потоков из s всегда равна потоку через любой, в том числе минимальный, разрез, следовательно, не превышает пропускной способности минимального разреза. Следовательно, максимальный поток не больше пропускной способности минимального разреза. Осталось доказать, что он и не меньше её. Пускай поток максимален. Тогда в остаточной сети сток не достижим из источника. Пусть A - множество вершин, достижимых из источника в остаточной сети, B - недостижимых. Тогда, поскольку Пример. Транспортная сеть с указанием потока и пропускной способности. Здесь изображена транспортная сеть с источником Ниже показана остаточная сеть для данного выше потока. Существует ограничивающая пропускная способность для некоторых ребер, тогда как в исходной сети она равна нулю. Например, ребро
Увеличивающего пути Остаточная сеть для показанного сверху потока, показывающая остаточные пропускные способности. Самый частый пример использования транспортных сетей — нахождение максимального потока, который означает максимальный суммарный поток от s к t . Для нахождения максимального потока в сети может быть использован алгоритм Форда — Фалкерсона, алгоритм Эдмондса — Карпа и другие. Алгоритм Форда — Фалкерсона решает задачу нахождения максимального потока в транспортной сети. Идея алгоритма заключается в следующем. Изначально величине потока присваивается значение 0: f
(u
,v
) = 0 для всех Алгоритм Эдмондса — Карпа решает задачу нахождения максимального потока в транспортной сети. Алгоритм представляет собой частный случай метода Форда — Фалкерсона и работает за время O (VE 2 ). Алгоритм Эдмондса — Карпа — это вариант алгоритма Форда — Фалкерсона, при котором на каждом шаге выбирают кратчайший дополняющий путь из s в t в остаточной сети (полагая, что каждое ребро имеет единичную длину). Кратчайший путь находится поиском в ширину. В задаче о потоке минимальной стоимости, каждому ребру (u
,v
) сопоставляется цена k
(u
,v
), цена пересылки потока f
(u
,v
) через ребро |