Кіріспе

Шеттермен байланысқан төбелер жиынтығы. Дискретті математика саласы. Математикада графтар теориясы – бұл объектілер арасындағы жұптық қатынастарды модельдеуге қолданылатын математикалық құрылымдарды, яғни графтарды зерттейтін ғылым. Осы контексте графтар төбелерден (немесе түйіндер, нүктелер деп те аталады) тұрады, олар шеттермен (немесе доғалар, байланыстар немесе сызықтар деп те аталады) байланысқан. Бағытталмаған графтарда шеттер екі төбені симметриялық түрде байланыстырса, бағытталған графтарда шеттер екі төбені асимметриялық түрде байланыстырады. Графтар дискретті математикадағы негізгі зерттеу нысандарының бірі болып табылады.

Анықтамалар

Граф теориясындағы анықтамалар әртүрлі болып келеді. Төменде графиктер мен олармен байланысты математикалық құрылымдарды анықтаудың ең негізгі жолдары келтірілген.

Қолданбалар

Графиктер физикалық, биологиялық, әлеуметтік және ақпараттық жүйелердегі көптеген қатынастар мен процестерді модельдеуге қолданылуы мүмкін. Көптеген нақты мәселелерді графиктер арқылы бейнелеуге болады. Олардың нақты әлемдегі жүйелерге қолданылуын ескере отырып, "желі" термині кейде атрибуттармен (мысалы, атаулармен) байланыстырылған түйіндер мен қабырғалардан тұратын графикті білдіреді, ал нақты әлемдегі жүйелерді желі ретінде зерттейтін және түсіндіретін ғылым желілік ғылым деп аталады.

Компьютерлік ғылым

Компьютерлік ғылымда себептік және себепсіз байланысты құрылымдар – байланыс желілерін, деректерді ұйымдастыруды, есептеу құрылғыларын, есептеу процесін және т.б. көрсету үшін қолданылатын графтар. Мысалы, веб-сайттың сілтеме құрылымын бағытталған граф арқылы бейнелеуге болады, онда төбелер веб-беттерді, ал бағытталған қабырғалар бір беттен екінші бетке жасалған сілтемелерді көрсетеді. Осындай тәсілді әлеуметтік желілер, туризм, биология, компьютерлік чиптерді жобалау, нейродегенеративті аурулардың прогрессисін картаға түсіру және көптеген басқа да салалардағы мәселелерді шешу үшін қолдануға болады. Сондықтан графтарды өңдеуге арналған алгоритмдерді әзірлеу компьютерлік ғылымда маңызды мәселе болып табылады. Графтардың өзгеруі көбінесе формалдану арқылы және графты қайта жазу жүйелерімен бейнеленеді. Графтарды жадта өңдеуге негізделген, ережелерге бағытталған графты түрлендіру жүйелеріне толықтыру ретінде, транзакциялық қауіпсіздікті қамтамасыз ететін, графтық құрылымдағы деректерді тұрақты сақтауға және сұрауға бағытталған графтық деректер базалары дамыған.

Тіл білімі

Графтық теориялық әдістер тіл білімінде түрлі нысандарда ерекше пайдалы болып табылды, себебі табиғи тіл жиі дискретті құрылымға оңай бейімделеді. Дәстүрлі түрде синтаксис және композициялық семантика ағаш негізіндегі құрылымдарды қолданады, олардың көркемдік қуаты иерархиялық графта модельделген композициялық принципте жатыр. Басты сөз тіркестерінің грамматикасы сияқты заманауи тәсілдер, бағытталған ациклді графтар болып табылатын типтелген ерекшелік құрылымдарын қолдана отырып, табиғи тілдің синтаксисін модельдейді. Лексикалық семантикада, әсіресе компьютерлерде қолданылғанда, сөз мағынасын модельдеу белгілі бір сөзді байланысты сөздер арқылы түсінгенде оңайырақ болады; сондықтан семантикалық желілер есептеу лингвистикасында маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, фонологиядағы басқа да әдістер (мысалы, тор графтарын пайдаланатын оптималдық теория) және морфология (мысалы, шекті күй морфологиясы, шекті күй түрлендіргіштерін қолдану) тілді граф ретінде талдауда кеңінен қолданылады. Расында, математиканың осы саласының тіл біліміне тигізген пайдасы TextGraphs сияқты ұйымдардың құрылуына, сондай-ақ WordNet, VerbNet және басқа да түрлі "Net" жобаларына себеп болды.

Физика және химия

Граф теориясы химия мен физикадағы молекулаларды зерттеу үшін де қолданылады. Конденсацияланған материя физикасында күрделі симуляцияланған атомдық құрылымдардың үш өлшемді құрылымы атомдардың топологиясына байланысты графтық теориялық қасиеттер туралы статистиканы жинау арқылы сандық түрде зерттелуі мүмкін. Сонымен қатар, "Файнман графиктері мен есептеу ережелері кванттық өріс теориясын, адам түсінгісі келетін тәжірибелік мәндермен тығыз байланыста болатын формада жинақтайды". Химияда граф молекуланың табиғи моделін құрайды, онда төбелер атомдарды, ал қабырғалар байланыстарды көрсетеді. Бұл тәсіл әсіресе молекулалық құрылымдарды компьютерлік өңдеуде қолданылады, химиялық редакторлардан бастап деректер базасын іздеуге дейін. Статистикалық физикада графтар жүйенің өзара әрекеттесетін бөліктері арасындағы жергілікті байланыстарды, сондай-ақ осындай жүйелердегі физикалық процестің динамикасын көрсете алады. Сол сияқты, есептеу нейробиологиясында графтар әртүрлі танымдық процестерді тудыру үшін өзара әрекеттесетін ми аймақтары арасындағы функционалдық байланыстарды көрсетуге пайдаланылуы мүмкін, онда төбелер мидың әртүрлі аймақтарын, ал қабырғалар осы аймақтар арасындағы байланыстарды білдіреді. Граф теориясы электр желілерін электрлік модельдеуде маңызды рөл атқарады, мұнда желілік құрылымдардың электрлік қасиеттерін алу үшін салмақтар сым сегменттерінің кедергісімен байланыстырылады. Графтар сондай-ақ, кеуекті ортаның микроскопикалық арналарын бейнелеу үшін қолданылады, онда төбелер кеуекті, ал қабырғалар кеуекті байланыстыратын кішігірім арналарды көрсетеді. Химиялық граф теориясы молекулалық графты молекулаларды модельдеу құралы ретінде пайдаланады. Графтар мен желілер фазалық өтулер мен сынды құбылыстарды зерттеу және түсіну үшін тамаша модель болып табылады. Төбелер мен қабырғаларды жою желінің кішігірім кластерлерге ыдырауына әкелетін сынды өтуге алып келеді, ол фазалық өту ретінде зерттеледі. Бұл ыдырау перколяция теориясы арқылы зерттеледі.

Әлеуметтік ғылымдар

Граф теориясы сонымен қатар әлеуметтануда кеңінен қолданылады, мысалы, актерлердің беделін өлшеу немесе әсіресе әлеуметтік желілерді талдау бағдарламалық қамтамасы арқылы қауесет таралуын зерттеу үшін. Әлеуметтік желілердің аясында түрлі графиктер кездеседі. Таныстық және достық графиктер адамдардың бір-бірін танитынын көрсетеді. Әсер ету графиктерi белгілі бір адамдардың басқалардың мінез-құлқына ықпал ету мүмкіндігін модельдейді. Ал әріптестік графиктер екі адамның белгілі бір жолмен бірлесіп жұмыс істеуін, мысалы, бірге фильмде түсуін көрсетеді.

Биология

Сол сияқты, граф теориясы биология және табиғатты қорғау салаларында пайдалы, онда төбелер белгілі бір түрлердің кездесетін (немесе мекендейтін) аймақтарын көрсете алады, ал қабырғалар – аймақтар арасындағы көші-қон жолдары немесе қозғалысты білдіреді. Бұл ақпарат көбею үлгілерін қарастырғанда немесе аурудың, паразиттің таралуын қадағалауда, сондай-ақ қозғалыстағы өзгерістердің басқа түрлерге қалай әсер ететінін анықтауда маңызды. Графтар молекулалық биология және геномикада күрделі байланыстарға ие деректер жиынтығын модельдеу және талдау үшін кеңінен қолданылады. Мысалы, граф негізгі әдістер бір жасушалық транскриптомдық талдау кезінде жасушаларды жасуша түрлеріне топтастыру үшін жиі қолданылады. Тағы бір қолданылуы – жол бойындағы гендерді немесе ақуыздарды модельдеу және олардың арасындағы қарым-қатынастарды зерттеу, мысалы, метаболизмдік жолдар мен гендік реттеу желілері. Эволюциялық ағаштар, экологиялық желілер және гендік экспрессия үлгілерінің иерархиялық кластерлері де графтық құрылымдар ретінде бейнеленеді. Граф теориясы коннектомикада да қолданылады; жүйке жүйелерін граф ретінде қарастыруға болады, онда түйіндер – нейрондар, ал қабырғалар – олардың арасындағы байланыстар.

Математика

Математикада графиктер геометрияда және топологияның белгілі бір салаларында, мысалы, түйін теориясында қолданылады. Алгебралық граф теориясы топтар теориясымен тығыз байланысты. Алгебралық граф теориясы динамикалық жүйелер және күрделілік сияқты көптеген салаларда қолданыс тапқан.

Басқа тақырыптар

Графиктің құрылымын графтың әр қабырғасына салмақ тағайындау арқылы кеңейтуге болады. Салмақты графиктер, немесе салмақты графтар, жұптық байланыстардың сандық мәндермен сипатталатын құрылымдарын көрсету үшін қолданылады. Мысалы, егер граф жол желісін бейнелесе, салмақтар әрбір жолдың ұзындығын көрсете алады. Әрбір қабырғаға бірнеше салмақ байланысты болуы мүмкін, оның ішінде қашықтық (жоғарыдағы мысал сияқты), саяхат уақыты немесе ақшалай құн. Мұндай салмақты графтар GPS бағдарламаларын және ұшу уақытын мен бағасын салыстыратын саяхат жоспарлау іздеу жүйелерін құру үшін жиі қолданылады.

Өкілдік

График – табиғатта туындайтын қатынастардың абстракциясы; демек, оны нақты бір бейнелеумен шектеуге болмайды. Оның қалай бейнеленетіні нақты қолданба үшін қаншалықты ыңғайлы екеніне байланысты. Ең көп қолданылатын бейнелеулер – визуальды, онда әдетте төбелер салынып, қабырғалармен байланыстырылады, және кестелік, онда кесте қатарлары граф ішіндегі төбелер арасындағы қатынастар туралы ақпарат береді.

Көрнекілік: Графиктік сызу

Графтар әдетте әр төбесіне нүкте немесе шеңбер салу арқылы және егер олар қабырғамен байланысты болса, екі төбе арасында сызық салу арқылы бейнеленеді. Егер граф бағытталған болса, бағыты жебе арқылы көрсетіледі. Егер граф салмақты болса, салмағы жебеге қосылады. Графты салуды графтың өзімен (абстракті, визуалды емес құрылым) шатастыруға болмайды, себебі графты салудың бірнеше тәсілі бар. Маңыздысы – қай төбелер қанша қабырғамен қайсысына байланысты, нақты орналасуы емес. Іс жүзінде екі суреттің бірдей графты бейнелейтінін анықтау қиын. Проблемалық салаға байланысты кейбір макеттер басқаларына қарағанда жақсырақ және түсіну оңайырақ болуы мүмкін. В. Т. Тюттенің пионерлік жұмысы графтарды салу тақырыбына үлкен әсер етті. Басқа жетістіктерінің қатарында, ол графты салу үшін сызықтық алгебралық әдістерді қолдануды енгізді. Графты салу, сонымен қатар, қиылысу санымен және оның түрлі жалпыламаларымен айналысатын мәселелерді де қамтиды. Графтың қиылысу саны – графты жазықтықта салғандағы қабырғалардың арасындағы қиылысулардың ең аз саны. Жазық граф үшін қиылысу саны анықтама бойынша нөлге тең. Жазықтықтан басқа беттердегі суреттер де зерттеледі. Графты төбелер мен қабырғалардан алыстатудың басқа да техникалары бар, оның ішінде шеңберлерді жинау, қиылыс графтары және көршілік матрицасының басқа да визуализациялары бар.

Кестелік: Графикалық деректер құрылымдары

Кестелік бейнелеу есептеу қолданбаларына өте ыңғайлы. Графтарды компьютерлік жүйеде сақтаудың әртүрлі тәсілдері бар. Қолданылатын дерек құрылымы графтың құрылымына және графты өңдеуге қолданылатын алгоритмге байланысты. Теориялық тұрғыдан алғанда, тізімдік және матрицалық құрылымдарды ажыратуға болады, бірақ нақты қолданыстарда ең жақсы құрылым көбінесе олардың үйлесімі болып табылады. Тізімдік құрылымдар көбінесе сирең графтар үшін артықшылықты ұсынады, себебі олардың жадқа қажеттігі аз. Матрицалық құрылымдар, керісінше, кейбір қолданулар үшін жылдам қол жеткізуді қамтамасыз етеді, бірақ үлкен көлемде жадты пайдалануы мүмкін. Қазіргі заманғы параллельді компьютерлік архитектураларда тиімді болатын сирең матрицалық құрылымдарды жүзеге асыру – қазіргі зерттеулердің нысаны болып табылады. Тізімдік құрылымдарға қабырғалар тізімі (edge list), қабырға жұптарының массиві және әр төбесінің көршілерін жеке тізімдейтін тұтастық тізімі (adjacency list) кіреді: қабырғалар тізіміне ұқсас, әр төбеге оның қай төбелермен тұтас екендігі туралы тізім бар. Матрицалық құрылымдарға 0 және 1-ден тұратын инциденттік матрица (incidence matrix), оның қатарлары төбелерді, ал бағандары қабырғаларды көрсетеді, және тұтастық матрицасы (adjacency matrix) кіреді, онда қатарлар мен бағандардың екеуі де төбелермен индексирленеді. Екі жағдайда да 1 екі тұтас нысанды, ал 0 екі тұтаспаған нысанды білдіреді. Дәрежелік матрица (degree matrix) төбелердің дәрежесін көрсетеді. Лаплас матрицасы – төбелердің дәрежелері туралы ақпаратты қамтитын тұтастық матрицасының өңделген түрі және графтың шешілмейтін ағаштарының саны туралы Кирхгоф теоремасы сияқты кейбір есептеулерде пайдалы. Қашықтық матрицасы (distance matrix), тұтастық матрицасы сияқты, қатарлары мен бағандары төбелермен индексирленеді, бірақ әр ұяшықта 0 немесе 1 болуының орнына екі төбе арасындағы ең қысқа жолдың ұзындығы болады.

Санақ

Графикалық санау туралы кең ауқымды әдебиеттер бар: нақты талаптарға сай келетін графтарды санау мәселесі. Осы еңбектердің бір бөлігі Харари мен Палмердің (1973) еңбегінде кездеседі.

Қоса алу және біріктіру

Шектеу модельдеу теориялары жартылай реттелген бағытталған графтардың жиындарымен айналысады. Бұл қолданыстарда графтар ерекшелік деңгейі бойынша реттеледі, яғни, қаншалықты шектеулі болса, соншалықты нақтырақ және көбірек ақпаратты қамтитын графтар, жалпылама графтарға бағынады. Графтар арасындағы операцияларға екі граф арасындағы бағыну қатынасын анықтау (бар болған жағдайда) және графтарды біріктіру есептеуі кіреді. Екі графтың біріктірілуі – егер мұндай граф болса, кіріс графтармен сәйкес келетін (яғни, олардағы барлық ақпаратты қамтитын) ең жалпы граф (немесе оны есептеу) ретінде анықталады; тиімді біріктіру алгоритмдері белгілі. Қатаң композициялық шектеулер аясында графтарды біріктіру – қанағаттандыру және комбинациялау функциясы болып табылады. Белгілі қолданыстарының қатарында автоматты теореманы дәлелдеу және тілдік құрылымды модельдеу бар.

Проблемаларды қамту

Графиктердегі проблемаларды қамту, төбелердің / кіші графиктердің ішкі жиындары бойынша әртүрлі жиынтық жапқыш проблемаларды білдіруі мүмкін. Доминациялық жиынтық проблемасы – жиынтықтар жабық маңайлар болатын жиынтық жапқыш проблемасының ерекше жағдайы. Төбелік жапқыш проблемасы – жабуға тиіс жиынтықтар әр қабырға болып табылатын жиынтық жапқыш проблемасының ерекше жағдайы. Алғашқы жиынтық жапқыш проблемасы, соққы жиынтығы деп те аталады, гиперграфтағы төбелік жапқыш ретінде сипатталуы мүмкін.