Графы исследовательская работа. Презентация к исследовательской работе по математике "теория графов в решении задач"
Титов Максим
1. Рассмотреть все маршруты Нижнегорского района.
2. По данным маршрутов составить новые маршруты.
3. Показать являются ли новые маршруты Эйлеровыми графами.
4. Построить матрицу смежности для новых маршрутов.
5. Найти кратчайшие расстояния от пгт.Нижнегорского до населенных пунктов.
Скачать:
Предварительный просмотр:
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………….3
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАФОВ …………………………………5
- Основные понятия теории графов......…………………...……...…………5
- Характеристика Эйлеровых графов …………………………...…………...7
- Поиск кратчайшего расстояния в графе (Алгоритм Дейкстри)…………..8
РАЗДЕЛ 2. МАРШРУТЫ НИЖНЕГОРСКОГО РАЙОНА ……………………..……10
- Маршруты Нижнегорского района …..…..……………………………….10
- Исследование маршрутов Нижнегорского района ……..………………..11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………….17
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………….19
ВВЕДЕНИЕ
Графы - это замечательные математические объекты, с помощью, которых можно решать математические, экономические и логические задачи. Также можно решать различные головоломки и упрощать условия задач по физике, химии, электронике, автоматике. Графы используют при составлении карт и генеалогических древ. Графами являются блок-схемы программ для ЭВМ, сетевые графики строительства, где вершины – события, означающие окончания работ на некотором участке, а ребра, связывающие эти вершины, - работы, которые возможно начать по совершении одного события и необходимо выполнить для совершения следующего. Одними из самых распространённых графов являются схемы линий метрополитена.
В математике даже есть специальный раздел, который так и называется: «Теория графов». Теория графов является частью как топологии, так и комбинаторики. То, что это топологическая теория, следует из независимости свойств графа от расположения вершин и вида соединяющих их линии. А удобство формулировок комбинаторных задач в терминах графов привела к тому, что теория графов стала одним из мощнейших аппаратов комбинаторики. При решении логических задач обычно бывает достаточно трудно держать в памяти многочисленные факты, данные в условии, устанавливать связь между ними, высказывать гипотезы, делать частные выводы и пользоваться ими.
Актуальность темы заключается в том, что теория графов в настоящее время является интенсивно развивающимся разделом дискретной математики. Это объясняется тем, что в виде графовых моделей описываются многие объекты и ситуации: коммуникационные сети, схемы электрических и электронных приборов, химические молекулы, отношения между людьми, всевозможные транспортные схемы и многое-многое другое. Очень важное для нормального функционирования общественной жизни. Именно этот фактор определяет актуальность их более подробного изучения.
Цель работы – исследование транспортных путей Нижнегорского района.
Задачи работы:
1 . Рассмотреть все маршруты Нижнегорского района.
2 . По данным маршрутов составить новые маршруты.
3. Показать являются ли новые маршруты Эйлеровыми графами.
4. Построить матрицу смежности для новых маршрутов.
5. Найти кратчайшие расстояния от пгт.Нижнегорского до населенных пунктов.
Объектом исследования является карта транспортных путей Нижнегорского района.
Практическая значимость данной работы в том, что она может быть использована на уроках при решении разных задач, а также в различных областях науки и в современной жизни.
Применяемые методы: поиск источников информации, наблюдение, сравнение, анализ, математическое моделирование.
С общим замыслом работы связана структура разделов. Основная часть состоит из трех глав. В первой рассмотрены основные понятия графов. Во второй главе исследуются маршруты Нижнегорского района.
При работе использовал ряд литературных источников: специальная литература по теории графов, познавательную литературу, различные научно-популярные, образовательные, специализированные журналы.
РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАФОВ
1.1. Основные понятия теории графов
Граф представляет собой непустое множество точек и множество отрезков, оба конца которых принадлежат заданному множеству точек. (Рис.1.1.)
Рис.1.1.
Вершина графа - точка, где могут сходиться/выходить рёбра и/или дуги.
Ребро графа - ребро соединяет две вершины графа.
Степень вершины - количество рёбер, выходящих из вершины графа.
Вершина графа, имеющая нечётную степень, называется нечетной, а чётную степень – чётной.
Если направление связи имеет значение, то линии снабжают стрелками, и в этом случае граф называется ориентированным графом, орграфом. (Рис.1.2.)
Рис.1.2.
Взвешенный граф - граф, каждому ребру которого поставлено в соответствие некое значение (вес ребра). (Рис.1.3.)
Рис. 1.3.
Графы, в которых построены все возможные ребра, называются полными графами. (Рис.1.4.)
Рис. 1.4.
Граф называется связным, если любые две его вершины могут быть соединены путем, т. е. последовательностью ребер, каждое следующее из которых начинается в конце предыдущего.
Матрица смежности – это матрица, элемент M[i] [j] которой равен 1, если существует ребро из вершины i в вершину j, и равен 0, если такого ребра нет (Рис.1.5. для графа на рис.1.1).
1.2. Характеристика Эйлеровых графов
Граф, который можно нарисовать, не отрывая карандаша от бумаги, называется эйлеровым. (рис.1.6.)
Такими графы названы в честь учёного Леонарда Эйлера.
Закономерность 1.
Невозможно начертить граф с нечетным числом нечетных вершин.
Закономерность 2.
Если все вершины графа четные, то можно не отрывая карандаш от бумаги («одним росчерком»), проводя по каждому ребру только один раз, начертить этот граф. Движение можно начать с любой вершины и закончить его в той же вершине.
Закономерность 3.
Граф, имеющий всего две нечетные вершины, можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, при этом движение нужно начать с одной из этих нечетных вершин и закончить во второй из них.
Закономерность 4.
Граф, имеющий более двух нечетных вершин, невозможно начертить «одним росчерком».
Фигура (граф), которую можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, называется уникурсальной.
Рис.1.6.
1.3. Поиск кратчайшего расстояния в графе (Алгоритм Дейкстри)
Задача: задана сеть дорог между городами, часть которых могут иметь одностороннее движение. Найти кратчайшие расстояния от заданного города до всех остальных городов (рис.1.7).
Та же задача: дан связный граф с N вершинами, веса ребер заданы матрицей W. Найти кратчайшие расстояния от заданной вершины до всех остальных.
Алгоритм Дейкстры (E.W. Dijkstra, 1959):
1. Присвоить всем вершинам метку ∞.
2. Среди нерассмотренных вершин найти вершину j с наименьшей меткой.
3. Для каждой необработанной вершины i: если путь к вершине i через вершину j меньше существующей метки, заменить метку на новое расстояние.
4. Если остались необработанны вершины, перейти к шагу 2.
5. Метка = минимальное расстояние.
Рис.1.7.
Рис.1.8. Решение задачи
РАЗДЕЛ 2
МАРШРУТЫ НИЖНЕГОРСКОГО РАЙОНА
2.1. Маршруты Нижнегорского района
Нижнегорский район находится в степной части на севере АР Крым. В состав Нижнегорского района входят пгт.Нижнегорский и 59 населенных пунктов.
Через Нижнегорский район проходят две трассы: 2Р58 и 2Р64. Существуют 8 маршрутов, следующие от А/С Нижнегорская до других населенных пунктов. В своей работе я буду рассматривать эти маршруты:
1 маршрут «Нижнегорск – Красногвардейск». Следует через: Нижнегорск – Плодовое – Митофановка – Буревестник – Владиславовка.
2 маршрут «Нижнегорск - Изобильное»: Нижнегорск – Семенное – Кирсановка – Лиственное – Охотское – Цветущее – Емельяновка – Изобильное.
3 маршрут «Нижнегорск - Великоселье»: Нижнегорк – Семенное – Двуречье – Акимовка – Лужки – Заливное – Степановка – Луговое – Чкалово – Великоселье.
4 маршрут «Нижнегорск – Белогорск (трасса 2Р64)»: Нижнегорск – Желябовка – Ивановка – Заречье – Серово – Садовое – Пены.
5 маршрут «Нижнегорск - Уваровка»: Нижнегорск – Семенное – Новоивановка – Уварвка.
6 маршрут «Нижнегорск - Любимовка»: Нижнегорск – Семенное – Двуречье – Акимовка – Лужки – Заливное – Степановка – Луговое – Коворово – Дворовое – Любимовка.
7 маршрут «Нижнегорск - Пшеничное»: Нижнегорск – Семенное – Двуречье – Акимовка – Лужки – Заливное – Степановка – Луговое – Коворово – Дворовое – Сливянка – Пшеничное.
8 маршрут «Нижнегорск – Зоркино (траса 2Р58)»: Нижнегорск – Разливы – Михайловка – Кунцево – Зоркино.
Существует очень много сел, в которые автобусы по маршрутам не заезжают и людям приходится добираться до своих населенных пунктов самостоятельно, в основном пешком. Поэтому передо мною стала задача: А можно составить новые маршруты и включить в них населенные пункты, в которые автобусы не заходят.
Маршруты «Нижнегорск - Уваровка» «Нижнегорск - Любимовка» «Нижнегорск - Пшеничное» изменить нельзя, так как по пути их следования, автобусы заезжают во все населенные пункты, поэтому эти маршруты я рассматривать не буду.
Рассмотрим остальные пять маршрутов. Населенные пункты обозначим цифрами – это вершины графа, а расстояния между ними – ребрами графа и получим пять графов. Рассмотрим каждый граф по отдельности.
2.2. Исследование маршрутов Нижнегорского района
1 маршрут: Нижнегорск – Красногвардейск.
Нижнегорск – 1
Плодовое – 2
Митрофановка – 3
Червоное – 6
Буревестник – 4
Новогригорьевка – 7
Владиславовка – 5
Не заезжает в пункт 6, 7. Добавим в маршрут эти населенные пункты.
Рис.2.1.
Граф не является Эйлеровым. Новый маршрут выглядит так: Нижнегорск – Плодовое – Митрофановка – Буревестник – Новогригорьевка – Владиславовка. Добавилось село Новогригорьевка.
2 маршрут: Нижнегорск – Изобильное.
Нижнегорск – 1
Семенное – 2
Кирсановка – 3
Лиственное – 4
Охотское – 5
Цветущее – 6
Емельяновка – 7
Изобильное – 8
Кулички – 9
Родники - 10
Не заезжает в пункт 9,10. Добавим в маршрут эти населенные пункты.
Рис.2.2.
Граф не является Эйлеровым и связным, поэтому нельзя построить новый маршрут. Маршрут остается тот же.
3 маршрут: Нижнегорск - Великоселье
Нижнегорск – 1
Семенное – 2
Двуречье – 3
Акимовка – 4
Лужки – 5
Заливное – 6
Степановка – 7
Луговое – 8
Чкалово – 9
Великоселье – 10
Широкое - 11
Не заезжает в пункт 11. Добавим в маршрут этот населенный пункт.
Рис.2.3.
Граф не является Эйлеровым. Маршрут остается тот же.
4 маршрут: Нижнегорск - Белогорск (Трасса 2Р64)
Нижнегорск – 1 Косточковка - 12
Желябовка – 2 Фрунзе - 13
Ивановка – 3 Приречное - 14
Заречье – 4 Жемчужина - 15
Серово – 5
Садовое – 6
Пены – 7
Ломоносово – 8
Кукурузное – 9
Тамбовка – 10
Тарасовка - 11
Не заезжает в пункты 8-18. Добавим в маршрут эти населенные пункты.
Рис.2.4.
Граф не является Эйлеровым. Новый маршрут выглядит так: Нижнегорск – Желябовка – Ивановка – Заречье – Тамбовка – Тарсовка – Приречное – Жемчужина – Пены.
5 маршрут: Нижнегорск - Зоркино (Трасса 2Р58)
Нижнегорск – 1
Разливы – 2
Михайловка – 3
Кунцево – 4
Зоркино – 5
Уютное – 6
Нижинское – 7
Не заезжает в пункт 6,7. Добавим в маршрут эти населенные пункты.
Рис.2.5.
Граф не является Эйлеровым и связным, поэтому маршрут остается тот же.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Фрактальная наука очень молода, и ей предстоит большое будущее. Красота фракталов далеко не исчерпана и ещё подарит нам немало шедевров – тех, которые услаждают глаз, и тех которые доставляют истинное наслаждение разума. В этом заключается новизна работы.
В заключение хочется сказать, что после того как были открыты фракталы, для многих учёных стало очевидно, что старые, добрые формы евклидовой геометрии сильно проигрывают большинству природных объектов из-за отсутствия в них некоторой нерегулярности, беспорядка и непредсказуемости. Возможно, что новые идеи фрактальной геометрии помогут изучить многие загадочные явления окружающей природы. В настоящие время фракталы стремительно вторгаются во многие области физики, биологии, медицины, социологии, экономики. Методы обработки изображений и распознавания образов, использующие новые понятия, дают возможность исследователям применить этот математический аппарат для количественного описания огромного количества природных объектов и структур.
В процессе исследования была проделана следующая работа:
1. Проанализирована и проработана литература по теме исследования.
2. Рассмотрены и изучены различные виды фракталов.
3. Представлена классификация фракталов.
4. Собрана коллекция фрактальных образов для первичного ознакомления с миром фракталов.
5. Составлены программы для построения графического образа фракталов.
Лично для меня изучение темы «Неисчерпаемое богатство фрактальной геометрии» оказалось очень интересной и необычной. В процессе исследования я сам для себя сделал массу новых открытий, связанных не только с темой проекта, но и с окружающим миров в целом. Я испытываю огромный интерес к этой теме, и поэтому данная работа оказала исключительно положительное влияние на мое представление о современной науке.
Закончив свой проект, я могу сказать, что всё из того, что было задумано, удалось. В следующем году я продолжу работу над темой «фракталы», так как это тема очень интересна и многогранна. Думаю, что я решил проблему своего проекта, так как мной были достигнуты все поставленные цели. Работа над проектом показала мне то, что математика – это не только точная, но и красивая наука.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. В.М. Бондарев, В.И. Рублинецкий, Е.Г. Качко. Основы программирования, 1998 г.
2. Н. Кристофидес. Теория графов: алгоритмический подход, Мир, 1978 г.
3. Ф.А. Новиков. Дискретная математика для программистов, Питер, 2001 г.
4. В.А. Носов. Комбинаторика и теория графов, МГТУ, 1999 г.
5. О. Оре. Теория графов, Наука, 1982 г.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
«В математике следует помнить не формулы, а процесс мышления…»
Е. И. Игнатьев
Теория графов в настоящее время является интенсивно развивающимся разделом математики. Это объясняется тем, что в виде графовых моделей описываются многие объекты и ситуации, что очень важно для нормального функционирования общественной жизни. Именно этот фактор определяет актуальность их более подробного изучения. Поэтому тематика данной работы достаточно актуальна.
Цель исследовательской работы: выяснить особенности применения теории графов в различных областях знаний и при решении логических задач.
Цель определила следующие задачи:
познакомиться с историей теории графов;
изучить основные понятия теории графов и основные характеристики графов;
показать практическое применение теории графов в различных областях знаний;
рассмотреть способы решения задач с помощью графов и составить собственные задачи.
Объект исследования: сфера деятельности человека на предмет применения метода графов.
Предмет исследования: раздел математики «Теория графов».
Гипотеза. Мы предполагаем, что изучение теории графов может помочь учащимся решать логические задачи по математике, что определит их дальнейшие интересы.
Методы исследовательской работы:
В ходе нашего исследования были использованы такие методы, как:
1) Работа с различными источниками информации.
2) Описание, сбор, систематизация материала.
3) Наблюдение, анализ и сравнение.
4) Составление задач.
Теоретическая и практическая значимость данной работы определяется тем, что результаты могут быть использованы на информатике, математике, геометрии, черчении и классных часах, а также для широкого круга читателей, заинтересованных данной темой. Исследовательская работа имеет выраженную практическую направленность, так как в работе автором представлены многочисленные примеры применения графов во многих областях знаний, составлены свои задачи. Данный материал можно использовать на факультативных занятиях по математике.
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МАТЕРИАЛА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Теория графов. Основные понятия
В математике «граф» можно изобразить в виде картинки, которая представляет собой некоторое количество точек, соединенных линиями. «Граф» происходит от латинского слова «графио» - пишу, как и известный дворянский титул.
В математике определение графа дается так:
Термин «граф» в математике определяется следующим образом:
Граф - это конечное множество точек - вершин , которые могут быть соединены линиями - ребрами .
В качестве примеров графов могут выступать чертежи многоугольников, электросхемы, схематичное изображение авиалиний, метро, дорог и т.п. Генеалогическое дерево также является графом, где вершинами служат члены рода, а родственные связи выступают в качестве ребер графа.
Рис. 1 Примеры графов
Число ребер, которое принадлежит одной вершине, называется степенью вершины графа . Если степень вершины нечетное число, вершина называется - нечетной . Если степень вершины число четное, то и вершина называется четной .
Рис. 2 Вершина графа
Нуль-граф - это граф, состоящий только из изолированных вершин, не соединенных ребрами.
Полный граф - это граф, каждая пара вершин которого соединена ребром. N-угольник, в котором проведены все диагонали, может служить примеров полного графа.
Если в графе выбрать такой путь, когда начальная и конечная точка совпадают, то такой путь называется циклом графа . Если прохождение через каждую вершину графа происходит не более одного раза, то цикл называется простым .
Если в графе каждые две вершины связаны ребром, то это связанный граф. Граф называется несвязанным , если в нем есть хотя бы одна пара несвязанных вершин.
Если граф связанный, но не содержит циклов, то такой граф называетсядеревом .
Характеристики графов
Путь графа - это такая последовательность, в которой каждые два соседних ребра, имеющих одну общую вершину, встречаются только один раз.
Длина кратчайшей цепи из вершин a и b называется расстоянием между вершинами a и b.
Вершина а называется центром графа, если расстояние между вершиной а и любой другой вершиной является наименьшим и из возможных. Такое расстояние есть радиус графа.
Максимально возможное расстояние между двумя любыми вершинами графа называется диаметром графа.
Раскраска графов и применение.
Если внимательно посмотреть на географическую карту, то можно увидеть железные или шоссейные дороги, которые являются графами. Кроме этого на катре есть граф, который состоит из границ между странами (районами, областями).
В 1852 году английскому студенту Френсису Гутри поставили задачу раскрасить карту Великобритани, выделив каждое графство отдельным цветом. Из-за небольшого выбора красок Гутри использовал их повторно. Он подбирал цвета так, чтобы те графства, которые имеют общий участок границы, обязательно окрашивались в разные цвета. Возник вопрос, какое наименьшее количество красок необходимо для раскрашивания различных карт. Френсис Гутри предположил, хотя и не смог доказать, что четырех цветов будет достаточно. Эта проблема бурно обсуждалась в студенческих кругах, но позже была забыта.
«Проблема четырех красок» вызывала все больший интерес, но так и не была решена, даже выдающимися математиками. В 1890 году английским математиком Перси Хивудом было доказано, что для раскрашивания любой карты будет достаточно пяти красок. А только 1968 году смогли доказать, что для раскрашивания карты, на которой изображено меньше сорока стран, будет достаточно 4 цветов.
В 1976 году эта задача была решена при использовании компьютера двумя американскими математиками Кеннетом Аппелем и Вольфгантом Хакеном. Для ее решения все карты были поделены на 2000 типов. Для компьютера была создана программа, которая исследовала все типы с целью выяления таких карт, для раскрашивания которых будет недостаточно четырех красок. Только три типа карт компьютер исследовать не смог, поэтому математики изучали их самостоятельно. В результате было установлено, что для раскрашивания всех 2000 типов карт будет достаточно 4 красок. Им было объявлено о решении проблемы четырех красок. В этот день почтовое отделение при университете, в котором работали Аппель и Хакен на всех марках ставило штемпель со словами: «Четырех красок достаточно».
Можно представить задачу о четырех красках несколько иначе.
Для этого рассмотрим произвольную карту, представив ее виде графа: столицы государств являются вершинами графа, а ребра графа связывают те вершины (столицы), государства которых имеют общую границу. Для получения такого графа формулируется следующая задача - необходимо раскрасить граф с помощью четырех цветов так, чтобы вершины, имеющие общее ребро были раскрашены разными цветами.
Эйлеровы и Гамильтоновы графы
В 1859 году английским математиком Уильямом Гамильтоном была выпущена в продажу головоломка - деревянный додекаэдр (двенадцатигранник), двадцать вершин которого были обозначены гвоздиками. Каждая вершина имела название одного из крупнейших городов мира - Кантон, Дели, Брюссель, и т.д. Задача заключалась в нахождении замкнутого пути, который проходит по ребрам многогранника, побывав в каждой вершине только один раз. Для отмечания пути использовался шнур, который цепляли за гвоздики.
Гамильтоновым циклом называется граф, путь которого является простым циклом, который проходит через все вершины графа по одному разу.
На реке Прегель расположен город Калининград (бывший Кенигсберг). Река омывала два острова, которые между собой и с берегами были соединены мостами. Старых мостов сейчас уже нет. Память о них осталась только на карте города.
Однажды один житель города спросил у своего знакомого, можно ли пройти по всем мостам, побывать на каждом только один раз и вернуться к тому месту откуда началась прогулка. Эта задача заинтересовала многих горожан, но решить ее никто не смог. Этот вопрос вызвал заинтересованность ученных многих стран. Решение проблемы получил математик Леонард Эйлер. Кроме этого он сформулировал общий подход к решению таких задач. Для этого он превратил карту в граф. Вершинами этого графа стала суша, а ребрами - мосты, ее соединяющие.
При решении задачи про мосты Кенигсберга Эйлеру удалось сформулировать свойства графов.
Начертить граф, начав движение с одной вершины и окончив в той же вершине одним росчерком (дважды не проводя по одной и той же линии и не отрывая карандаша от бумаги) возможно в том случае, если все вершины графа четные.
Если есть граф с двумя нечетными вершинами, то его вершины тоже можно соединить одним росчерком. Для этого нужно начать с одной, а закончить на другой любой нечетной вершине.
Если есть граф с числом нечетных вершин больше двух, то граф невозможно начертить одним росчерком.
Если применять эти свойства на задачу о мостах, то можно увидеть, что все вершины исследуемого графа нечетные, значит, этот граф нельзя соединить одним росчерком, т.е. невозможно пройти по всем мостам один раз и закончить путь в том месте, где он был начат.
Если граф имеет цикл (не обязательно простой), содержащий все рѐбра графа по одному разу, то такой цикл называется Эйлеровым циклом . Эйлерова цепь (путь, цикл, контур) — цепь (путь, цикл, контур), содержащая все рѐбра (дуги) графа по одному разу.
ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ
2.1. Этапы проведения исследования
Для проверки гипотезы исследование включало три этапа (таблица 1):
Этапы исследования
Таблица 1.
|
Используемые методы |
|||
|
Теоретическое исследование проблемы |
Изучить и проанализировать познавательную и научную литературу. |
самостоятельное размышление; изучение информационных источников; поиск необходимой литературы. |
|
|
Практическое исследование проблемы |
Рассмотреть и проанализировать области практического применения графов; |
наблюдение; анализ; сравнение; анкетирование. |
|
|
3 этап. Практическое использование результатов |
Обобщить изученную информацию; |
систематизация; отчет (устный, письменный, с демонстрацией материалов) |
сентябрь 2017 г. |
2.2. Области практического применения графов
Графы и информация
Теория информации широко использует свойства двоичных деревьев.
Например, если нужно закодировать некоторое число сообщений в виде определенных последовательностей нулей и единиц различной длины. Код считается наилучшим, для заданной вероятности кодовых слов, если средняя длина слов наименьшая в сравнении другими распределениями вероятности. Для решения такой задачи Хаффман предложил алгоритм, в котором, код представляется деревом-графом в рамках теории поиска. Для каждой вершины предлагается вопрос, ответом на который может быть либо, «да», либо «нет» - что соответствует двум ребрам, выходящим из вершины. Построение такого дерева завершается после установления того, что требовалось. Это может применяться в интервьюировании нескольких человек, когда заранее неизвестен ответ на предыдущий вопрос, план интервью представляется в виде двоичного дерева.
Графы и химия
Еще А. Кэли рассмотрел задачу о возможных структурах насыщенных (или предельных) углеводородов, молекулы которых задаются формулой:
CnH 2n+2
Все атомы углеводорода 4-хвалентны, все атомы водорода 1-валентны. Структурные формулы простейших углеводородов показаны на рисунке.
Каждую молекулу предельного углеводорода можно представить в виде дерева. При удалении всех атомов водорода, атомы углеводорода, которые остались, образуют дерево с вершинами, степень которых не выше четырех. Значит, количество возможных искомых структур (гомологов данного вещества) равняется числу деревьев, степени вершин которых, не больше 4. Это задача сводится к задаче о перечислении деревьев отдельного вида. Д. Пойа рассмотрел эту задачу и ее обобщения.
Графы и биология
Процесс размножения бактерий - это одна из разновидностей ветвящихся процессов, встречающихся в биологической теории. Пусть каждая бактерия по истечению определенного времени или погибает, или делится на две. Следовательно, для одной бактерии мы получим двоичное дерево размножения ее потомства. Вопрос задачи заключается в следующем, какое количество случаев содержит k потомков в n-м поколение одной бактерии? Данное соотношение в биологии носит название процесс Гальтона-Ватсона, которое обозначает необходимое количество нужных случаев.
Графы и физика
Сложная утомительная задача для любого радиолюбителя - создание печатных схем (пластина диэлектрика - изолирующего материала и вытравленные дорожки в виде металлических полосок). Пересечение дорожек происходит только в определенных точках (местах установления триодов, резисторов, диодов и пр.) по определенным правилам. В результате перед ученым стоит задача вычертить плоский граф, с вершинами в
Итак, все выше сказанное подтверждает практическую ценность графов.
Математика интернета
Интернет - всемирная система объединенных компьютерных сетей для хранения и передачи информации.
Сеть интернет можно представить в виде графа, где вершины графа - это интернет сайты, а ребра - это ссылки (гиперссылки), идущие с одних сайтов на другие.
Веб-граф (Интернет), имеющий миллиарды вершин и ребер, постоянно меняется - спонтанно добавляются и исчезают сайты, пропадают и добавляются ссылки. Однако, Интернет имеет математическую структуру, подчиняется теории графов и имеет несколько «устойчивых» свойств.
Веб-граф разрежен. Он содержит всего лишь в несколько раз больше ребер, чем вершин.
Несмотря на разреженность, интернет очень тесен. От одного сайта до другого по ссылкам, можно перейти за 5 - 6 кликов (знаменитая теория «шести рукопожатий»).
Как мы знаем, степень графа - это число ребер, которым принадлежит вершина. Степени вершин веб-графа распределены по определенному закону: доля сайтов (вершин) с большим количеством ссылок (ребер) мала, а сайтов с малым количеством ссылок - велика. Математически это можно записать так:
где - доля вершин определенной степени, - степень вершины, - постоянная, независящая от числа вершин веб-графа, т.е. не меняется в процессе добавления или удаления сайтов (вершин).
Этот степенной закон является универсальным для сложных сетей - от биологических до межбанковских.
Интернет как целое устойчив к случайным атакам на сайты.
Так как уничтожение и создание сайтов происходит независимо и с одинаковой вероятностью, то и веб-граф, с вероятность близкой к 1, сохраняет свою целостность и не разрушается.
Для изучения интернета необходимо строить модель случайного графа. Эта модель должна обладать свойствами реального интернета и не должна быть слишком сложной.
Эта задача пока полностью не решена! Решение этой задачи - построения качественной модели интернета - позволит разработать новые инструменты для улучшения поиска информации, выявления спама, распространения информации.
Построение биологических и экономических моделей началось значительно раньше, чем возникла задача построения математической модели интернета. Однако достижения в развитии и изучении интернета, позволили ответить на многие вопросы, касающиеся всех этих моделей.
Математика интернета востребована многими специалистами: биологами (предсказание роста популяций бактерий), финансистами (риски возникновения кризисов) и т.п. Изучение подобных систем - один из центральных разделов прикладной математики и информатики.
г. Мурманск с помощью графа.
Когда человек приезжает в новый для него город, как правило, первое желание - это посетить главные достопримечательности. Но при этом запас времени зачастую ограничен, а в случае деловой поездки, совсем мал. Следовательно, необходимо планировать знакомство с достопримечательностями заранее. И в построении маршрута отлично помогут графы!
В качестве примера рассмотрим типичный случай прибытия в Мурманск из аэропорта в первый раз. Планируется посетить следующие достопримечательности:
1. Морской православный храм Спас-на-водах;
2. Свято-Никольский собор;
3. Океанариум;
4. Памятник коту Семену;
5. Атомный ледокол Ленин;
6. Парк Огни Мурманска;
7. Парк Долина Уюта;
8. Кольский мост;
9. Музей истории Мурманского морского пароходства;
10. Площадь Пяти углов;
11. Морской торговый порт
Вначале расположим эти места на карте и получим наглядное представление о местоположении и расстоянии между достопримечательностями. Сеть дорог достаточно развита, и перемещение на автомобиле не будет затруднительным.
Достопримечательности на карте (слева) и полученный граф (справа) показаны на соответствующем рисунке ПРИЛОЖЕНИЯ №1. Таким образом, новоприбывший вначале проедет около Кольского моста(и, при желании может пересечь его туда - обратно); затем отдохнет в Парке Огни Мурманска и Долине Уюта и отправится дальше. В итоге оптимальный маршрут составит:
С помощью графа можно также визуализировать схему проведения соцопросов. Примеры представлены в ПРИЛОЖЕНИИ №2. В зависимости от данных ответов опрашиваемому задают разные вопросы. Например, если в социологическом опросе №1 опрашиваемый считает математику важнейшей из наук, у него спросят, уверенно ли он чувствует себя на уроках физики; если же он считает иначе, второй вопрос будет касаться востребованности гуманитарных наук. Вершинами такого графа являются вопросы, а ребрами - варианты ответов.
2.3. Применение теории графов при решении задач
Теория графов применяется при решении задач из многих предметных областей: математика, биология, информатика. Мы изучили принцип решения задач с помощью теории графов и составили собственные задачи по теме исследования.
Задача №1.
Пятеро одноклассников, на встрече выпускников, обменялись рукопожатиями. Сколько всего было сделано рукопожатий?
Решение: Обозначим одноклассников вершинами графа. Соединим каждую вершину линиями, с четырьмя другими вершинам. Получаем 10 линий, это и есть рукопожатиями.
Ответ: 10 рукопожатий (каждая линия означает одно рукопожатие).
Задача №2.
У моей бабушке в деревне, возле дома растут 8 деревьев: тополь, дуб, клен, яблоня, лиственница, береза, рябина и сосна. Рябина выше лиственницы, яблоня выше клена, дуб ниже березы, но выше сосны, сосна выше рябины, береза ниже тополя, а лиственница выше яблони. В какой последовательности расположатся деревья по высоте от самого высокого к самому низкому.
Решение:
Деревья - это вершины графа. Обозначим их первой буквой в кружочке. Проведем стрелки от низкого дерева к более высокому. Сказано, что рябина выше лиственницы, то стрелку ставим от лиственницы к рябине, берёза ниже тополя, то стрелку ставим от тополя к берёзе и т.п. Получаем граф, где видно, что самое низкое дерево - клен, потом яблоня, лиственница, рябина, сосна, дуб, береза и тополь.
Ответ: клен, яблоня, лиственница, рябина, сосна, дуб, береза и тополь.
Задача №3.
У Мамы есть 2 конверта: обычный и авиа, и 3 марки: квадратная, прямоугольная и треугольная. Сколькими способами Мама может выбрать конверт и марку, чтобы отправить письмо Папе?
Ответ: 6 способов
Задача №4.
Между населенными пунктами A, B, C, D, E построены дороги. Нужно определить длину кратчайшего пути между пунктами А и Е. Передвигаться можно только по дорогам, длина которых указана на рисунке.
Задача №5.
Тремя одноклассника - Максим, Кирилл и Вова решили заняться спортом и прошли отбор спортивные секции. Известно, что в баскетбольную секцию претендовал 1 мальчик, а в хоккей хотели играть трое. Максим пробовался только в 1 секцию, Кирилл отбирался во все три секции, а Вова в 2. Кого из мальчиков в какую спортивную секцию отобрали?
Решение: Для решения задачи применим графы
Баскетбол Максим
Футбол Кирилл
Хоккей Вова
Так как к баскетболу идет лишь одна стрелка, то Кирилла отобрали в сецию баскетбола . Тогда Кирилл не будет играть в хоккей , а значит, в хоккейную секцию отобрали Максима, который пробовался только в эту секцию, тогда Вова будет футболистом .
Задача №6.
Из-за болезни некоторых преподавателей, завучу школы, требуется составить фрагмент расписания занятий в школе хотя бы на один день, с учетом следующих обстоятельств:
1. Преподаватель ОБЖ согласен дать только последний урок;
2. Преподаватель географии может дать либо второй, либо третий урок;
3. Математик готов дать либо только первый, либо только второй урок;
4. Преподаватель физики может дать либо первый, либо второй, либо третий уроки, но только в одном классе.
Какое расписание может составить завуч школы, чтобы оно удовлетворяло всем преподавателей?
Решение: Эту задачу можно решить перебирая все возможные варианты, но проще, если начертить граф.
1. 1) физика 2. 1) математика 3. 1) математика
2) математика 2) физика 2) география
3) география 3) география 3) физика
4) ОБЖ 4) ОБЖ 4) ОБЖ
Заключение
В данной исследовательской работе была подробно изучена теория графов, доказана гипотеза, что изучение графов может помочь в решении логических задач, кроме того, рассмотрена теорию графов в разных областях науки и составлены свои 7 задач.
Использование графов при обучении обучающихся поиску решения задач позволяет совершенствовать графические умения учащихся и связывать рассуждения специальным языком конечного множества точек, некоторые из которых соединены линиями. Все это способствует проведению работы по обучению учащихся мышлению.
Эффективность учебной деятельности по развитию мышления во многом зависит от степени творческой активности учащихся при решении математических задач. Следовательно, необходимы математические задачи и упражнения, которые бы активизировали мыслительную деятельность школьников.
Применение задач и использованием элементов теории графов на факультативных занятиях в школе как раз и преследует цель активизации мыслительной деятельности учащихся. Мы считаем, что практический материал по нашему исследованию может быть полезен на факультативных занятиях по математике.
Таким образом, цель исследовательской работы достигнута, задачи решены. В перспективе мы планируем продолжить изучение теории графов и разработать свои маршруты, например, с помощью графа создать экскурсионный маршрут для школьного автобуса ЗАТО Александровск по музеям и памятным местам г. Мурманска.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Березина Л. Ю. «Графы и их применение» - М.: «Просвещение», 1979
Гарднер М. «Математические досуги», М. «Мир», 1972
Гарднер М. «Математические головоломки и развлечения», М. «Мир», 1971
Горбачев А. «Сборник олимпиадных задач» - М. МЦНМО, 2005
Зыков А. А. Основы теории графов. — М.: «Вузовская книга», 2004. — С. 664
Касаткин В. Н. «Необычные задачи математики», Киев, «Радяньска школа», 1987
Математическая составляющая / Редакторы-составители Н.Н. Андреев, С.П. Коновалов, Н.М. Панюшкин. - М.: Фонд «Математические этюды» 2015 г. - 151 с.
Мельников О. И. «Занимательные задачи по теории графов», Мн. «ТетраСистемс»,2001
Мельников О.И. Незнайка в стране графов: Пособие для учащихся. Изд. 3-е, стереотипное. М.: КомКнига, 2007. — 160 с.
Олехник С. Н., Нестеренко Ю. В., Потапов М. К. «Старинные занимательные задачи», М. «Наука», 1988
Оре О. «Графы и их применения», М. «Мир», 1965
Харари Ф. Теория графов / Пер.с англ. и предисл. В. П. Козырева. Под ред. Г. П. Гаврилова. Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 296 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ №1
Составление оптимального маршрута посещения главных достопримечательностей
г. Мурманск с помощью графа.
Оптимальный маршрут составит:
8. Кольский мост6. Парк Огни Мурманска7. Парк Долина Уюта2. Свято-Никольский собор10. Площадь Пяти углов5. Атомный ледокол Ленин9. Музей истории Мурманского морского пароходства11. Морской торговый порт1. Морской православный храм Спас-на-водах4. Памятник коту Семену3. Океанариум.
ПУТЕВОДИТЕЛЬ ПО ДОСТОПРИМЕЧАТЕЛЬНОСТЯМ МУРМАНСКА
ПРИЛОЖЕНИЕ №2
Социологические опросы № 1, 2
Российская научно-социальная программа для молодежи и школьников
«Шаг в будущее»
ХV Районная научно-практическая конференция «Шаг в будущее»
Графы и их применение
Исследовательская работа
МБОУ «Шелеховский лицей», 10 класс
Руководитель: Копылова Н.П.
МБОУ «Шелеховский лицей»,
учитель математики.
Научный руководитель:
Постников Иван Викторович,
младший научный сотрудник
Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева
Сибирского отделения Российской академии наук
г. Шелехов - 2012
Введение, задачи, цель…………………………………………………………… 3
Основная часть……………………………………………………………………. 4
Заключение……………………………………………………………………..... 10
Список литературы…………………………………………………………….... 11
Введение.
Родоначальником теории графов считается Леонард Эйлер. В 1736 году в одном из своих писем он формулирует и предлагает решение задачи о семи кёнигсбергских мостах, ставшей впоследствии одной из классических задач теории графов. Толчок к развитию теория графов получила на рубеже XIX и XX столетий, когда резко возросло число работ в области топологии и комбинаторики, с которыми её связывают самые тесные узы родства. Как отдельная математическая дисциплина теория графов была впервые представлена в работе венгерского математика Кёнинга в 30-е годы XX столетия.
В последнее время графы и связанные с ними методы исследований пронизывают на разных уровнях едва ли не всю современную математику. Графы используются в теории планирования и управления, теории расписаний, социологии, математической лингвистике, экономике, биологии, медицине. Как более жизненный пример можно взять использование графов в геоинформационных системах. Существующие или вновь проектируемые дома, сооружения, кварталы и т. п. рассматриваются как вершины, а соединяющие их дороги, инженерные сети, линии электропередачи и т. п. - как рёбра. Применение различных вычислений, производимых на таком графе, позволяет, например, найти кратчайший объездной путь или ближайший продуктовый магазин, спланировать оптимальный маршрут. Теория графов быстро развивается, находит всё новые приложения и ждёт молодых исследователей.
Дать определение графов и его составляющих
Рассмотреть некоторые виды графов и их свойства
Рассмотреть основные положения теории графов, а также теоремы, лежащие в основе данной теории с доказательством
Решить ряд прикладных задач с помощью графов
Определить области применения теории графов в окружающей действительности
Цель работы заключается в следующем: познакомиться с теорией графов и применить её в решении прикладных задач.
Основная часть.
Граф представляет собой непустое множество точек и множество отрезков, оба конца которых принадлежат заданному множеству точек. Обозначают граф буквой Г.
Точки иначе называют вершинами, отрезки – рёбрами графа.
Виды графов:
В общем смысле граф представляется как множество вершин, соединённых рёбрами. Графы бывают полными и неполными. Полный граф - это простой граф, каждая пара различных вершин которого смежна. Неполный граф – это граф, в котором хотя бы 2 вершины не смежны.
Граф, являющийся неполным, можно преобразовать в полный с теми же вершинами, добавив недостающие рёбра. Проведя недостающие рёбра, получим полный граф. Вершины графа Г и рёбра, которые добавлены, тоже образуют граф. Такой граф называют дополнением графа Г и обозначают его Г.
Дополнением графа Г называется граф Г с теми же вершинами, что и граф Г, и с теми и только с теми рёбрами, которые необходимо добавить графу Г, чтобы получился полный граф. Является ли граф полным или нет, это его характеристика в целом.
Рассмотрим теперь характеристики его вершин. Вершины, которые не принадлежат ни одному ребру, называются изолированными. Вершины в графе могут отличаться друг от друга степенью. Степенью вершины называется число рёбер графа, которым принадлежит эта вершина. Вершина называется нечётной, если её степень – число нечётное. Вершина называется четной, если её степень – четное число.
Имея даже общее представление о графе, иногда можно судить о степенях его вершин. Так, степень каждой вершины полного графа на единицу меньше числа его вершин. При этом некоторые закономерности, связанные со степенями вершин, присущи не только полным графам.
С вершинами графов связаны 4 теоремы, докажем их с помощью задач:
№1.Участники пионерского слёта, познакомившись, обменялись конвертами с адресами. Докажите, что:
1) всего было передано четное число конвертов;
2)число участников, обменявшихся конвертами нечетное число раз, четное.
Решение. Обозначим участников слёта А 1 , А 2 , А 3 …., А n – вершины графа, а ребра соединяют на рисунке пары вершин, изображающих ребят, которые обменялись конвертами:
1) Степень каждой вершины А j показывает количество конвертов, переданных участником А j своим знакомым, значит общее число переданных конвертов N равно сумме степеней всех вершин графа. N = степ. А 1 + степ. А 2 + … + степ. А n-1 + степ. А n , N = 2р (р – число ребер графа), то есть N – четное число. Из этого следует, что было передано четное число конвертов;
2) Мы доказали, что N – четное, а N = степ. А 1 + степ. А 2 + …. + степ. А n-1 + степ. А n , т.е N – количество участников. Мы знаем, что сумма нечетных слагаемых должна быть четной, а это возможно только в том случае, если число нечетных слагаемых четно. Значит, что число участников, которые обменялись конвертами нечетное число раз, четное.
В ходе решения задачи доказаны две теоремы.
В графе сумма степеней всех его вершин – число чётное, равное удвоенному числу рёбер графа. ∑ степ. А j = степ. А 1 + степ. А 2 + … + степ. А n = 2р, где р – число ребер графа Г, n – число его вершин.
Число нечётных вершин любого графа чётно.
№2. Девять шахматистов проводят турнир в один круг. Покажите, что в любой момент найдутся двое закончившие одинаковое число партий.
Решение. Переведем условие задачи на язык графов. Каждому из шахматистов поставим соответствующую ему вершину графа, соединим рёбрами попарно вершины, соответствующие шахматистам, которые уже сыграли между собой партию. Мы получили граф с девятью вершинами. Степень каждой вершины соответствует числу партий, сыгранных соответствующим игроком. Докажем, что в любом графе с девятью вершинами всегда есть хотя бы две вершины с одинаковой степенью.
Каждая вершина графа с девятью вершинами может иметь степень, равную 0, 1, 2, …, 7, 8. Предположим, что существует граф Г, все вершины которого имеют разную степень, т. е. каждое из чисел последовательности 0, 1, 2, …, 7, 8 является степенью одной и только одной из его вершин. Но этого не может быть. Действительно, если в графе есть вершина А со степенью 0, то в нем не найдется вершина В со степенью 8, так как эта вершина В должна быть соединена ребрами со всеми остальными вершинами графа, в том числе и с А. Иначе говоря, в графе с девятью вершинами не могут быть одновременно вершины степени 0 и 8. Следовательно, найдутся хотя бы две вершины, степени которых раны между собой.
Вернемся к задаче. Доказано, что в любой момент найдутся хотя бы двое, сыгравшие одинаковое число партий.
Решение этой задачи почти дословно повторяется в ходе доказательства следующей теоремы (только число 9 приходится заменить произвольным натуральным числом n ≥ 2).
Во всяком графе с n вершинами, где n ≥ 2, всегда найдутся по меньшей мере две вершины с одинаковыми степенями.
№3. Девять человек проводят шахматный турнир в один круг. К некоторому моменту выясняется, что в точности двое сыграли одинаковое число партий. Докажите, что тогда либо в точности один участник еще не сыграл ни одной партии, либо в точности один сыграл все партии.
Решение. Условие задачи переведем на язык графов. Пусть вершины графа – игроки, а каждое ребро означает, что соответствующие игроки уже сыграли между собой партию. Из условия известно, что в точности две вершины имеют одинаковые степени. Требуется доказать, что в таком графе всегда найдется либо только одна изолированная, либо только одна вершина степени 8.
В общем случае у графа с девятью вершинами степень каждой вершины может принимать одно из девяти значений: 0, 1, …, 7, 8. Но у такого графа степени вершин принимают только восемь разных значений, т.к. ровно две вершины имеют одинаковую степень. Следовательно, обязательно либо 0, либо 8 будет значением степени одной из вершин.
Докажем, что в графах с девятью вершинами, из которых в точности две имеют одинаковую степень, не может быть двух вершин степени 0 или двух вершин степени 8.
Допустим, что все же найдется граф с девятью вершинами, в котором ровно две вершины изолированные, а все остальные имеют разные между собой степени. Тогда, если не рассматривать эти две изолированные вершины, останется граф с семью вершинами, степени которых не совпадают. Но такого графа не существует (теорема 3). Значит это предположение неверное.
Теперь допустим, что существует граф с девятью вершинами, в котором ровно две вершины имеют степень 8, а все остальные несовпадающие степени. Тогда в дополнении данного графа ровно две вершины будут иметь степень 0, а остальные попарно различные степени. Этого тоже не может быть (теорема 3), т. е. и второе предположение неверное.
Следовательно, у графа с девятью вершинами, из которых в точности две имеют одинаковую степень, всегда найдется либо одна изолированная вершина, либо одна вершина степени 8.
Вернемся к задаче. Как и требовалось доказать, среди рассмотренных девяти игроков либо только один еще не сыграл ни одной партии, либо только один сыграл уже все партии.
При решении этой задачи число 9 можно было заменить любым другим натуральным числом n › 2.
Из этой задачи можно вывести следующую теорему:
Если в графе с n вершинами (n 2) в точности две вершины имеют одинаковую степень, то в этом графе всегда найдётся либо в точности одна вершина степени 0, либо в точности одна вершина степени n-1.
Эйлеров путь в графе - это путь, проходящий по всем рёбрам графа и притом только по одному разу.
№4. Как вы помните, охотник за мертвыми душами Павел Иванович Чичиков побывал у известных вам помещиков по одному разу у каждого. Он посещал их в следующем порядке: Манилова, Коробочку, Ноздрева, Собакевича, Плюшкина, Тентетникова, генерала Бетрищева, Петуха, Констанжогло, полковника Кошкарева. Найдена схема, на которой Чичиков набросал взаимное расположение имений и проселочных дорог, соединяющих их. Установите, какое имение кому принадлежит, если ни по одной из дорог Чичиков не проезжал более одного раза.
Решение. По схеме видно, что путешествие Чичиков начал с имения Е, а кончил имением О. Замечаем, что в имения В и С ведут только по две дороги, поэтому по этим дорогам Чичиков должен был проехать. Отметим их жирной линией. Определены участки маршрута, проходящие через А: АС и АВ. По дорогам АЕ, АК и АМ Чичиков не ездил. Перечеркнем их. Отметим жирной линией ЕD; перечеркнем DК. Перечеркнем МО и МН; отметим жирной линией МF; перечеркнем FO; отметим жирной линией FH, HK и КО. Найдем единственно возможный при данном условии маршрут.
Подведем первый итог: задача решена в ходе преобразования картинки. С рисунка остается только считать ответ: имение Е принадлежит Манилову, D – Коробочке, С – Ноздреву, А – Собакевичу, В – Плюшкину, М – Тентетникову, F – Бетрищеву, H – Петуху, K – Констанжогло, O - Кошкареву.
№5. У Ирины 5 подруг: Вера, Зоя, Марина, Полина и Светлана. Она решила двух из них пригласить в кино. Укажите все возможные варианты выбора подруг. Какова вероятность, что Ирина пойдёт в кино с Верой и Полиной?
Переведем условие задачи на язык графов. Пусть вершинами графов будут подруги. А соответствие подруг одного варианта ребрами. Каждую вершину обозначаем первой буквой имени подруг. Вера – В, Зоя – З, Марина – М, Полина – П, Света – С. Получился граф:
Некоторые варианты повторяются, и их можно исключить. Перечеркнем повторяющиеся ребра. Осталось 10 возможных вариантов, значит вероятность того, что Ирина пойдёт в кино с Верой и Полиной равна 0,1.
Представление о плоском графе
Граф называют плоским, если его можно нарисовать на плоскости так, чтобы никакие два его ребра не имели других общих точек, кроме их общей вершины.
Рисунок графа, в котором никакие два его ребра не пересекаются, если не считать точками пересечения общие вершины, называют плоским представлением графа.
Плоский граф Плоское представление графа
Представителем не плоского графа является полный граф с пятью вершинами. Все попытки изобразить плоское представление этого графа обернется крахом.
При изучении плоского представления графа вводится понятие грани.
Гранью в плоском представлении графа называется часть плоскости, ограниченная простым циклом и не содержащая внутри других циклов.
Р
исунок
Грани () и () являются соседями, а грани () и () соседями не являются.
Ребро () является мостом, соединяющим циклы - перегородкой.
Простой цикл, ограничивающий грань - граница грани.
В качестве грани можно рассматривать и часть плоскости, расположенную «вне» плоского представления графа; она ограничена «изнутри» простым циклом и не содержит в себе других циклов. Эту часть плоскости называют «бесконечной» гранью.
В
сякое представление графа либо не имеет бесконечной грани,
л
ибо имеет только одну.
В плоском представлении дерева или леса бесконечной гранью является вся плоскость рисунка.
Формула Эйлера
Для всякого плоского представления связного плоского графа без перегородок число вершин (в), число ребер (р), и число граней с учетом бесконечной (г) связаны соотношением: в – р + г =2.
Предположим, что граф А –связный плоский граф без перегородок. Для его плоского произвольного представления определим алгебраическое значение суммы в – р + г. Затем, данный граф преобразуем в дерево, которое содержит все его вершины. Для этого удалим некоторые ребра графа, разрывая при этом поочередно все его простые циклы, но так, чтобы граф остался связным и без перегородок. Обратим внимание, что при данном удалении одного ребра уменьшается число граней на 1, т.к. при этом либо 2 цикла преобразуются в 1, либо один простой цикл просто пропадает. Из этого следует, что значение разности р – г при этом удалении остается неизменным. Те ребра, которые мы удаляем, выделены пунктиром.
В получившемся дереве число вершин обозначим – вд, ребер – рд, граней – гд. Отматим равенство р – г = рд – гд. В дереве одна грань, значит р – г = рд – 1. Изначально мы задали условие, что при удалении ребер число вершин не меняется, т.е. в = вд. Для дерева справедливо равенство вд – рд = 1. Отсюда следует рд = в – 1, т.е р – г = в – 2 или в – р + г = 2. Формула Эйлера - доказана.
Кёнигсберг
Издавна среди жителей Кёнигсберга была распространена такая загадка: как пройти по всем мостам (через реку Преголя), не проходя ни по одному из них дважды? Многие кёнигсбержцы пытались решить эту задачу как теоретически, так и практически, во время прогулок. Но никому это не удавалось, однако не удавалось и доказать, что это даже теоретически невозможно.
На упрощённой схеме части города (графе) мостам соответствуют линии (дуги графа), а частям города - точки соединения линий (вершины графа). В ходе рассуждений Эйлер пришёл к следующим выводам:
Число нечётных вершин (вершин, к которым ведёт нечётное число рёбер) графа должно быть чётно. Не может существовать граф, который имел бы нечётное число нечётных вершин.
Если все вершины графа чётные, то можно, не отрывая карандаша от бумаги, начертить граф, при этом можно начинать с любой вершины графа и завершить его в той же вершине.
Граф с более чем двумя нечётными вершинами невозможно начертить одним росчерком.
Граф кёнигсбергских мостов имел четыре (зелёным) нечётные вершины (то есть все), следовательно, невозможно пройти по всем мостам, не проходя ни по одному из них дважды.
На карте старого Кёнигсберга был ещё один мост, появившийся чуть позже, и соединявший остров Ломзе с южной стороной. Своим появлением этот мост обязан самой задаче Эйлера-Канта.
Кайзер (император) Вильгельм славился своей прямотой, простотой мышления и солдатской «недалёкостью». Однажды, находясь на светском рауте, он чуть не стал жертвой шутки, которую с ним решили сыграть учёные умы, присутствующие на приёме. Они показали кайзеру карту Кёнигсберга, и попросили попробовать решить эту знаменитую задачу, которая по определению была нерешаемой. Ко всеобщему удивлению, Кайзер попросил перо и лист бумаги, сказав, что решит задачу за полторы минуты. Ошеломлённый немецкий истеблишмент не мог поверить своим ушам, но бумагу и чернила быстро нашли. Кайзер положил листок на стол, взял перо, и написал: «приказываю построить восьмой мост на острове Ломзе». Так в Кёнигсберге и появился новый мост, который так и назвали - мост Кайзера. А задачу с восемью мостами теперь мог решить даже ребёнок.
Заключение:
Актуальность работы заключается в том, что теория графов быстро развивается и находит все большее и большее применение. В этом направлении возможно открывать что то новое, т. к. теория графов содержит большое количество нерешённых проблем и пока не доказанных гипотез.
В ходе работы мы познакомили вас с начальным определением графов и его составляющих. Также с теорией графов. Мы показали на практике, как используется теория графов, и как с её помощью можно решать задачи.
Теория графов имеет свои преимущества в решении отдельных прикладных задач. А именно: наглядность, доступность, конкретность. Недостатком является то, что не всякую задачу можно подвести под теорию графов.
Список литературы:
1. «Графы и их применение» Л. Ю. Березина, издательство «Просвещение», Москва, 1979 г.
2. «Алгебра 9 класс» под редакцией С. А. Теляковского, издательство «Просвещение», Москва, 2010 г.
МОУ СОШ №6
Исследовательская работа.
«Графы»
Выполнил: Макаров Дмитрий
ученик 8 класса МОУ СОШ№6Руководитель:
Кривцова С.А
Учитель математики и информатики
МОУ СОШ № 6
Г. Абдулино, 2007 г.
СОДЕРЖАНИЕ:
I.ВВЕДЕНИЕ
Актуальность и новизна
Цель и задачи
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.Понятие о графах
2.Свойства графов
3.Применение графов
III.Практическая часть
IV.Заключение
V.Литература
VI.Приложение
1.Актуальность и новизна
Теория графов находит применение в различных областях современной математики и ее многочисленных приложениях, в особенности это относится к экономике, технике, к управлению.
Решение многих математических задач упрощается, если удается использовать графы. Представление данных в виде графа придает им наглядность и простоту.
Многие математические доказательства также упрощаются, приобретают убедительность, если пользоваться графами.
2. Цель и задачи.
Цель: рассмотреть решение задач с использованием «Граф», проверить выполнение
«Графов» на родословных.
Задачи:
Изучить научно- популярную литературу по данному вопросу.
Исследовать выполнение ”Графов’’ для выяснения родственных отношений
Проанализировать результаты проведенных экспериментов
II. Основная часть.
1.ПОНЯТИЕ О ГРАФАХ
Слово «граф» в математике означает картинку, где нарисовано несколько точек, некоторые из которых соединены линиями. Графами являются блок – схемы программ для ЭВМ, сетевые графики строительства, где вершины – события, означающие окончания работ на некотором участке, а ребра, связывающие эти вершины , - работы, которые возможно начать по совершении одного события и необходимо выполнить для совершения следующего.
Математические графы с дворянским титулом «граф» связывает общее происхождение от латинского слова « графио » - пишу. Типичными графами являются схемы авиалиний, которые часто вывешивается в аэропортах, схемы метро, а на географических картах – изображение железных дорог (рис. 1). Выбранные точки графа называются его вершинами, а соединяющие их линии – ребрами.
Использует графы и дворянство. На рисунке 2 приведена часть генеалогического дерева знаменитого дворянского рода. Здесь его вершины – члены этого рода, а связывающие их отрезки – отношения родственности, ведущие от родителей к детям.
Слово «дерево» в теории графов означает граф, в котором нет циклов, то есть в котором нельзя из некоторой вершины пройти по нескольким различным ребрам и вернуться в ту же вершину. Генеалогическое дерево будет деревом и в смысле теории графов , если в этом семействе не было браков между родственниками.
Не трудно понять, что граф – дерево всегда можно изобразить так, чтобы его ребра не пересекались. Тем же свойством обладают графы, образованные вершинами и ребрами выпуклых многогранников. На рисунке 3 приведены графы, соответствующие пяти правильным многогранникам. В графе соответствующем тетраэдру, все четыре вершины попарно соединены ребрами.
Рассмотрим граф с пятью вершинами, попарно соединенными друг с другом (рис. 4). Здесь ребра графа пересекаются. Невозможно его изобразить так, чтобы пересечений не было, как невозможно выполнить намерения трех человек, описанных Льюсом Кэрроллом.
Они жили в трех домиках , неподалеку от них находились три колодца: один с водой, другой с маслом, а третий с повидлом, и ходили к ним по тропинкам, изображенным на рисунке 5. Однажды эти люди перессорились и решили провести тропинки от своих домов к колодцам так, чтобы эти тропинки не пересекались. На рисунке 6 изображена очередная попытка проложить такие тропы.
Графы, изображенные на рисунках 4 и 5, как оказалось, играют решающую роль при определение для каждого графа – является ли он плоским, то есть может ли он быть изображен на плоскости без пересечения его ребер. Польский математик Г. Куратовский и академик Л. С. Понтрягин независимо доказали, что если граф не является плоским, то в нем «сидит» хотя бы один из графов , изображенных на рисунках 4 и 5, то есть «полный пятивершинник» или граф «домики – колодцы».
Графами являются блок – схемы программ для ЭВМ, сетевые графики строительства, где вершины – события, означающие окончания работ на некотором участке, а ребра, связывающие эти вершины , - работы, которые возможно начать по совершении одного события и необходимо выполнить для совершения следующего.
Если на ребрах графа нанесены стрелочки, указывающие направление ребер, то такой граф называют направленным.
Стрелка от одой работы к другой на графе, изображенном на рис. 7, означает последовательность выполнения работ. Нельзя начинать монтаж стен, не закончив строить фундамент, чтобы приступить к отделке , нужно иметь на этажах воду и т. д.
Около вершин графа указаны числа – продолжительность в днях соответствующей работы. Теперь мы можем узнать наименьшую возможную продолжительность строительства. Для этого из всех путей по графу в направлении стрелок нужно выбрать путь, у которого сумма чисел при вершинах наибольшая. Он называется критическим путем (на рис. 2 он выделен коричневым цветом). В нашем случае получаем 170 дней. А если сократить время прокладки электросети с 40 до 10 дней, то и время строительства тоже сократится на 30 дней? Нет, в этом случае критический путь станет проходить не через эту вершину, а через вершины, соответствующие строительству котлована, укладке фундамента и т. д. И общее время строительства составит 160 дней, т. е. срок сократиться лишь на 10 дней.
На рис.8 изображена схема дорог между селами М, А, Б, В, Г.
Здесь каждые две вершины соединены между собой ребром. Такой граф называется полным. Числа на рисунке указывают расстояния между селами по этим дорогам. Пусть в селе М находится почта и почтальон должен развезти письма по остальным четырем селам. Существует много различных маршрутов поездки. Как из них выбрать наикратчайший? Проще всего проанализировать все варианты. Сделать это поможет новый граф(внизу), на котором легко увидеть возможные маршруты. Вершина М вверху – начало маршрутов. Из нее можно начать движение четырьмя различными способами: в А, в Б, в В, в Г. После посещения одного из сел остается три возможности продолжения маршрута, потом две, потом дорога в последнее село и вновь в М. Всего 4 3 2 1 = 24 способа.
Расставим вдоль ребер графа цифры, обозначающие расстояния между селами, а в конце каждого маршрута напишем сумму этих расстояний по маршруту. Из полученных 24 чисел наименьшими являются два числа по 28км, соответствующие маршрутам М-В-Б-А-Г-М и М-Г-А-Б-В-М. Это один и тот же путь, но пройденный в разных направлениях. Заметим, что граф на рис. 8 тоже можно сделать направленным , указав направление сверху вниз на каждом из ребер, что соответствовало бы направлению движения почтальона. Подобные задачи часто возникают при нахождении лучших вариантов развозки товаров по магазинам, стройматериалов по стройкам.
Графы часто используют для решения логических проблем, связанных с перебором вариантов. Для примера рассмотрим такую задачу. В ведре 8 л воды, и имеется две кастрюли емкостью 5 и 3 л. требуется отлить в пятилитровую кастрюлю 4 л воды и оставить в ведре 4 л, т. е. разлить воду поровну в ведро и большую кастрюлю.
Ситуацию в каждый момент можно описать тремя числами, где А-количество литров воды в ведре, Б- в большой кастрюле, В - в меньшей. В начальный момент ситуация описывалась тройкой чисел (8, 0, 0), от нее мы можем перейти в одну из двух ситуаций: (3, 5, 0),если наполним водой большую кастрюлю, или (5, 0, 3), если наполним меньшую кастрюлю.
В результате получаем два решения: одно в 7 ходов, другое в 8 ходов.
Подобным образом можно составить граф любой позиционной игры: шахмат, шашек, «крестиков – ноликов», где позиции станут вершинами, а направленные отрезки между ними будут означать, что одним ходом можно перейти от одной позиции к другой , по направлению стрелки.
Однако для шахмат и шашек такой граф будет очень большим, поскольку различные позиции в этих играх исчисляются миллионами. А вот для игры «крестики – нолики» на доске 3 * 3 соответствующий граф нарисовать не так уж трудно, хотя и он будет содержать несколько десятков (но не миллионов) вершин.
Свойство графов не зависят от того, соединены вершины отрезками или кривыми линиями, что дает возможность изучения их свойств с помощью одной из молодых наук – топологии.
Впервые основы теории графов появились в работе Л. Эйлера, где он описывал решение головоломок и математических развлекательных задач. Широкое развитие теория графов получила с 50-х гг. 20 в.в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной техники.
В терминах графов легко формулируется и решается задача о назначении на должности. А именно: если имеется несколько вакантных должностей и группа лиц, желающих их занять, причем каждый из претендентов имеет квалификацию для нескольких должностей, то при каких условиях каждый из претендентов сможет получить работу по одной из своих специальностей?
Свойства графов не зависят от того, соединены вершины отрезками или кривыми линиями. Это дает возможность изучения их свойств с помощью одной из молодых наук – топологии, хотя сами задачи теории графов являются типичными задачами комбинаторики.
III. Практическая часть.
Методы работы:
Сравнение и анализ результатов эксперимента.
Методика работы:
Для проведения исследований были выбраны:
А) Родословная моей семьи , архивы данных, свидетельства о рождении.
Б) Родословная князей Голицыных, архивы данных.
Я провел исследование, результаты исследования поместил в схемы и проанализировал их.
Методика 1.
Цель: проверить выполнение ’’Графов” на своей родословной.
Результаты: схема 1
Методика 2.
Цель: проверить выполнение ’’Графов’’ на родословной князей Голицыных.
Результат: схема 2
Вывод: я заметил, что родословная – типичный граф.
IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей исследовательской работе рассмотрены математические графы, области их применения, решено несколько задач с помощью графов. Графы достаточно широко применяются в математике, технике, экономике, управлении. Графы предназначены для активизации знаний по школьным предметам. Знание основ теории графов необходимо в различных областях, связанных с управлением производством , бизнесом (например, сетевой график строительства, графики доставки почты). Кроме того, работая над исследовательской работой, я освоил работу на компьютере в текстовом редакторе WORD. Таким образом , задачи исследовательской работы выполнены.
V.Литература.
1.Энциклопедический словарь юного математика / Сост.А.П.Савин.- М.: Педагогика, 1989
2. Квант № 6 1994Г.
3. М. Гарднер «Математические досуги» М.: Мир,1972
4.В.А.Гусев, А. И.Орлов, А.А.Розенталь ’’Внеклассная работа по математике’’
5. И.Семакин’’ Информатика’’
