Ясно, что (3φ3+3φ4+3φ5+…) < (3φ3+4φ4+ 5φ5+…)или 3Г<2Р, но по условию, 2Р=20, а ЗГ=21; поэтому вывод, полученный при введенном нами предположении (граф плоский), противоречит условию. Отсюда заключаем, что полный граф с пятью вершинами не является плоским.
Теорема 3.11. (Теорема Понтрягина-Куратовского) Граф является плоским тогда и только тогда, когда он не имеет в качестве подграфа полного графа с пятью вершинами.
В заключение этого параграфа, на наш взгляд, следует упомянуть то, что в нем объяснялись только основные теоремы теории графов. Их практическое применение будет рассмотрено в следующих параграфах реферата.
§4. ЗАДАЧИ НА ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ГРАФОВ.
В данном параграфе будут рассмотрены некоторые задачи, при решении которых используется теория графов. Они считаются классическими.
Задача 4.1. Необходимо составить фрагмент расписания для одного дня с учетом следующих обстоятельств:
1. учитель истории может дать либо первый, либо второй, либо третий уроки, но только один урок;
2. учитель литературы может дать один, либо второй, либо третий урок;
3. математик готов дать либо только первый, либо только второй урок;
4. преподаватель физкультуры согласен дать только последний урок.
Сколько и каких вариантов расписания, удовлетворяющего всем вышеперечисленным условиям одновременно, может составить завуч школы?
Решение. Без сомнения, эту задачу можно решить путем обыкновенного перебора всех возможных вариантов, но решение будет наиболее простым, если вычертить граф в виде дерева. Требуемый граф изображен на рисунке 4.1. На нем выделены три возможных варианта расписания уроков.
(РИСУНОК 4.1)
Данная задача является классическим примером удачного использования теории графов. В настоящее время существует программа "Расписание 3.0" компьютерной фирмы ЛинTex, в которой она решена с использованием современных технологий.
Рассмотрим еще одну задачу, решением которой также является граф.
Задача 4.2. В составе экспедиции должно быть 6 специалистов: биолог, врач, синоптик, гидролог, механик и радист. Имеется 8 кандидатов, из которых и нужно выбрать участников экспедиции; условные имена претендентов: A, B, C, D, E, F, GиH. Обязанности биолога могут исполнять EиG, врача – AиD, синоптика – FиG, гидролога – B иF, радиста – С иD, механика – CиH. Предусмотрено, что в экспедиции каждый из них будет выполнять только одну обязанность. Кого и в какой должности следует включить в состав экспедицию, если Fне может ехать без B,D – без Hи C, Cне может ехать вместе с G, A– вместе с B?
Решение. Процесс решения задачи во всех подробностях мы рассматривать не будем. Заметим только, что задать возможный вариант решения, то есть описать точный состав экспедиции, можно с помощью четного графа, в котором вершины разделены на две группы, а ребра могут соединять лишь вершины разных групп.
Применительно к задаче об экспедиции одна группа вершин есть группа из 8 кандидатов, а вторая – из 6 должностей. Решение задачи изображено на четном графе (рис 4.2).
(РИСУНОК 4.2)
Задача 4.3. Планета имеет форму выпуклого многогранника, причем в его вершинах расположены города, а каждое ребро является дорогой. Две дороги закрыты на ремонт. Докажите, что из любого города можно проехать в любой другой по оставшимся дорогам.
Решение. Пусть Aи B – данные города. Докажем сначала, что из Aв B можно было проехать до закрытия на ремонт двух дорог. Рассмотрим для этого проекцию многогранника на некоторую прямую, не перпендикулярную ни одному из его ребер (при такой проекции вершины многогранника не сливаются).
Пусть A'иB' – проекции точек AиB,а M'и N' – крайние точки проекции многогранника (в точки M'и N' проецируютсявершины Mи N). Если идти из вершины Aтак, что в проекции движение будет происходить по направлению от M'к N', то, в конце концов, мы обязательно попадем в вершину N. Аналогично из вершины B можно пройти в N. Таким образом, можно проехать из A в B(через N).
Если полученный путь из AиBпроходит через закрытую дорогу, то есть еще два объезда по граням, для которых это ребро является общим. Вторая закрытая дорога не может находиться сразу на двух этих объездах. Значит, из города Aв городB можно проехать, по крайней мере, одним путем.
Итак, в данном параграфе рассмотрены некоторые задачи, для решения которых применяется теория графов. В §5 мы приведем условия и решения задач школьного курса математики.
§5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ГРАФОВ В ШКОЛЬНОМ
КУРСЕ МАТЕМАТИКИ.
В соответствии с вышесказанным, в данном параграфе будут рассмотрены задачи, которые используются в школе на уроках математики.
Условно их можно классифицировать, подразделив на несколько групп:
1. Задачи о мостах.
2. Логические задачи
3. Задачи о "правильном" раскрашивании карт
4. Задачи на построение уникурсальных графов
5.
Рассмотрим несколько типичных примеров решения задач каждого вида.
Одной из наиболее известных задач о мостах является эйлерова задача; все остальные сформулированы похожим образом и решаются по тому же принципу. Поэтому в данном параграфе мы не будем подробно останавливаться разборе этого типа задач.
Основой применения графов для решения логических задач служит выявление и последовательное исключение возможностей, заданных в условии. Это выявление логических возможностей часто может быть истолковано с помощью построения и рассмотрения соответствующих графов.
Задача 5.1. Из трех человек, стоящих рядом, один всегда говорит правду (правдолюб), другой всегда лжет (лжец), а третий, смотря по обстоятельствам, говорит либо правду, либо ложь (дипломат). У стоящего слева спросили: "Кто стоит рядом с тобой?". Он ответил: "Правдолюб". Стоящему в центре задали вопрос: "Кто ты?", и он ответил: "Я дипломат". Когда у стоящего справа спросили: "Кто стоит рядом с тобой?", он сказал: "Лжец". Кто где стоял?
Решение: Если в данной задаче ребро графа будет соответствовать месту, занимаемому тем или иным человеком, то нам могут представиться следующие возможности (рис 5.1).
(РИСУНОК 5.1)
Рассмотрим первую возможность. Если "правдолюб" стоит слева, то рядом с ним, судя по его ответу, также стоит "правдолюб". У нас же стоит "лжец". Следовательно, эта расстановка не удовлетворяет условию задачи. Рассмотрев таким образом все остальные возможности, мы придем к выводу, что позиция "дипломат", "лжец", "правдолюб" удовлетворяет задаче. Действительно, если "правдолюб" стоит справа, то, по его ответу, рядом с ним стоит "лжец", что выполняется. Стоящий в центре заявляет, что он "дипломат", и, следовательно, лжет (что возможно из условия), а стоящий справа также лжет. Таким образом, все условия задачи выполнены.
Задача 5.2. В обеденный перерыв члены строительной бригады разговорились о том, кто сколько газет читает. Выяснилось, что каждый выписывает и читает две и только две газеты, каждую газету читает пять человек, и любая комбинация читается одним человеком. Сколько различных газет выписывают члены бригады? Сколько человек в бригаде?
Решение: Решение этой задачи достигается построением следующего графа (рис 5.2), где каждая вершина обозначает соответствующую газету и соответственно 5 подписчиков, а каждое ребро будет соответствовать одному подписчику.
(РИСУНОК 5.2)
Иными словами, суть метода решения этой и подобных ей задач состоит в установлении связей между множеством вершин и множеством ребер графа.
Любая географическая карта является многоугольным графом, в котором страны будут гранями, границы – ребрами, а окружающий страны Мировой океан – бесконечной гранью.
Для лучшего зрительного восприятия необходимо, чтобы страны с общей границей были раскрашены в разные цвета. Такую карту называют "правильно" раскрашенной.
Широко известное предположение состоит в том, что каждая карта может быть раскрашена с соблюдением требуемых условий при помощи четырех красок. Этому вопросу уделяется большое внимание в популярной литературе, и здесь мы не будем останавливаться на его рассмотрении.
Задачи на проведение эйлеровых линий без повторений и без отрыва карандаша от бумаги являются одним из математических развлечений. При решении подобных задач необходимо помнить следующее положение. Для того, чтобы на графе имелась цепь, соединяющая АА и ВВ, содержащая все его ребра в точности по одному разу, необходимо и достаточно, чтобы АА и ВВ были единственными нечетными вершинами, т. е. вершинами с нечетной степенью.
§6. ПРИЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ ГРАФОВ В РАЗЛИЧНЫХ
ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ТЕХНИКИ.
Графы и информация
Двоичные деревья играют весьма важную роль в теории информации. Предположим, что определенное число сообщений требуется закодировать в виде конечных последовательностей различной длины, состоящих из нулей и единиц. Если вероятности кодовых слов заданы, то наилучшим считается код, в котором средняя длина слов минимальна по сравнению с прочими распределениями вероятности. Задачу о построении такого оптимального кода позволяет решить алгоритм Хаффмана.
Двоичные кодовые деревья допускают интерпретацию в рамках теории поиска. Каждой вершине при этом сопоставляется вопрос, ответить на который можно либо "да", либо "нет". Утвердительному и отрицательному ответу соответствуют два ребра, выходящие из вершины. "Опрос" завершается, когда удается установить то, что требовалось.