Кіріспе
Граф теориясында бағытталмаған графтың ағаш ені – графтың ағашқа қаншалықты жақын екенін көрсететін бүтін сан. Ең кіші ағаш ені 1-ге тең; ағаш ені 1-ге тең графиктер – ағаштар мен ормандар. Ағаш ені 2-ден аспайтын графиктер – қатар-параллель графиктер. Ағаш ені дәл k-ға тең максималды графиктер k-ағаштар деп аталады, ал ағаш ені k-дан аспайтын графиктер – ішінара k-ағаштар деп аталады. Көптеген басқа жақсы зерттелген графиктер отбасылары да шектеулі ағаш еніне ие. Ағаш ені бірнеше эквивалентті тәсілмен формалды түрде анықталуы мүмкін: графтың ағашқа жіктелуіндегі ең үлкен төбелік жиынның мөлшері, графтың хордалық толықтыруындағы ең үлкен кликаның мөлшері, графтағы қуғын-құтылу ойынының стратегиясын сипаттайтын баспананың максималды реті немесе бір-біріне жанасқан байланысты подграфтар жиынтығы. Ағаш ені графикалық алгоритмдердің параметрленген күрделігін талдауда жиі қолданылатын параметр болып табылады. Көптеген алгоритмдер жалпы графиктер үшін NP-қиын болса, ағаш ені тұрақтымен шектелгенде оңайырақ болады. Ағаш ені тұжырымы бастапқыда "өлшем" деген атпен енгізілген. Кейіннен ол Хадвигер санымен ортақ қасиеттеріне негізделген, және қайтадан ашылды. Кейіннен ол тағы да бірнеше авторлармен қайта ашылып, зерттелді.
In graph theory, the treewidth of an undirected graph is an integer number which specifies, informally, how far the graph is from being a tree. The smallest treewidth is 1; the graphs with treewidth 1 are exactly the trees and the forests. The graphs with treewidth at most 2 are the series–parallel graphs. The maximal graphs with treewidth exactly k are called k trees, and the graphs with treewidth at most k are called partial k trees. Many other well studied graph families also have bounded treewidth. Treewidth may be formally defined in several equivalent ways: in terms of the size of the largest vertex set in a tree decomposition of the graph, in terms of the size of the largest clique in a chordal completion of the graph, in terms of the maximum order of a haven describing a strategy for a pursuit–evasion game on the graph, or in terms of the maximum order of a bramble, a collection of connected subgraphs that all touch each other. Treewidth is commonly used as a parameter in the parameterized complexity analysis of graph algorithms. Many algorithms that are NP hard for general graphs, become easier when the treewidth is bounded by a constant. The concept of treewidth was originally introduced by under the name of dimension. It was later rediscovered by , based on properties that it shares with a different graph parameter, the Hadwiger number. Later it was again rediscovered by and has since been studied by many other authors.
Мысалдар
Әрбір толық графтың ағаш ені n – 1-ге тең. Бұл ағаш енін хордалық графтар арқылы анықтау арқылы ең оңай көрінеді: толық граф қазірдің өзінде хордалық, ал қосымша жиектер қосу оның ең ірі кликасының өлшемін кішірейте алмайды. Кемінде екі төбесі бар байланысты графтың ағаш ені 1-ге тең, егер және тек қана ол ағаш болса. Ағаш, толық графтардағы сияқты, бір ағаш еніне ие (яғни, ол хордалық және максималды клика өлшемі екі). Керісінше, егер графта цикл болса, онда графтың кез келген хордалық толықтыруы циклдың үш тізбектік төбесінен тұратын кемінде бір үшбұрышты қамтиды, содан оның ағаш ені кемінде екі екені шығады.
Кәмелетке толмағандарға тыйым салынады
k-ның әрбір шекті мәні үшін, k-ға дейінгі ағаш ені бар графтарды тыйым салынған минорлардың шекті жиынымен сипаттауға болады. (Яғни, ағаш ені > k болатын кез келген граф, осы жиыннан бір минорды қамтиды.) Тыйым салынған минорлардың әрбір жиынында кем дегенде бір жазық граф болады. 1=k = 1 үшін жалғыз тыйым салынған минор – 3 төбелі циклдық граф. 1=k = 2 үшін жалғыз тыйым салынған минор – 4 төбелі толық граф. k-ның үлкен мәндері үшін тыйым салынған минорлардың саны, k-ның квадрат түбірінің экспонентасынан кем емес жылдамдықпен өседі. Дегенмен, тыйым салынған минорлардың мөлшері мен саны бойынша белгілі жоғарғы шекаралар, осы төменгі шекарадан әлдеқайда жоғары.
Ағаш енін есептеу
Берілген G графигінің ең көп дегенде k берілген айнымалының ағаш ені бар-жоғын анықтау NP-толық. Алайда, k кез келген тұрақты сан болса, k ағаш ені бар графиктерді тануға болады және олар үшін сызықтық уақытта k ені бар ағаш ыдырауын құрастыруға болады. Бұл алгоритмнің k-ға уақыт тәуелділігі экспоненциалды. Ағаш енінің көптеген салаларда атқаратын рөліне байланысты графтың ағаш енін есептеудің әртүрлі практикалық және теориялық алгоритмдері жасалды. Қолдағы қолданбаға байланысты, жақсырақ шамалау қатынасын немесе кіріс немесе ағаш енінің өлшеміне байланысты жұмыс уақытында жақсырақ тәуелділікті таңдауға болады. Төмендегі кестеде ағаш ені алгоритмдерінің кейбірінің шолулары берілген. Мұнда k - ағаш ені, ал n - кіріс графигі G-нің төбелерінің саны. Әр алгоритм f(k) ⋅ g(n) уақытында Апроксимация бағанында берілген еннің ыдырауын шығарады. Мысалы, алгоритмі ені ең көп дегенде k болатын G кіріс графигінің ағаш ыдырауын құрастырады немесе G-дің ағаш ені k-дан артық екенін хабарлайды. Сол сияқты, алгоритмі ең көп дегенде 5k + 4 ені бар G кіріс графигінің ағаш ыдырауын құрастырады немесе G-нің ағаш ені k-дан артық екенін хабарлайды. осыны 2k + 1 дейін сол уақытта жақсартты. Апроксимация f(k) g(n) сілтеме дәл O(1) 4k + 3 8k + 7 5k + 4 (немесе 7k + 6) n log n дәл O(n) O(1) 4.5k + 4 дәл O(1) 3k + 2 O(n log n) 5k + 4 O(n) O(n log n) 5k + 4 O(n log n) 2k + 1O(n) 5k + 4 O(n log n) дәл (1+)k Пландық графтардың ағаш енін анықтау NP-толық па, әлде олардың ағаш енін полиномиалдық уақытта есептеу мүмкін бе, белгісіз. Іс жүзінде, алгоритм 100 дейін төбелері бар және 11 дейін ағаш ені бар графиктердің ағаш енін анықтай алады, бұл графиктердің оптималдық ағаш ені бар хордалық аяқталуын табады. Үлкен графтар үшін ағаш енін есептеу үшін тармақталу және шектеу іздеу (BnB) және ең жақсы бірінші іздеу сияқты іздеуді негіздеген әдістерді қолдануға болады. Бұл алгоритмдер кез келген уақытта, егер олар ертерек тоқтаса, олар ағаш енінің жоғарғы шегін шығарады. QuickBB алгоритмі деп аталатын ағаш енін есептеудің алғашқы BnB алгоритмін Гогайт пен Дехтер ұсынды. Кез келген BnB алгоритмінің сапасы төменгі шектің сапасына қатты тәуелді болғандықтан, Гогайт пен Дехтер QuickBB алгоритмін ең жақсы бірінші іздеуді қолдана отырып жақсартты. Кейбір графиктерде бұл ең жақсы бірінші іздеу алгоритмі QuickBB-ден жылдам.
However, when k is any fixed constant, the graphs with treewidth k can be recognized, and a width k tree decomposition constructed for them, in linear time. The time dependence of this algorithm on k is exponential. Due to the roles the treewidth plays in an enormous number of fields, different practical and theoretical algorithms computing the treewidth of a graph were developed. Depending on the application on hand, one can prefer better approximation ratio, or better dependence in the running time from the size of the input or the treewidth. The table below provides an overview of some of the treewidth algorithms. Here k is the treewidth and n is the number of vertices of an input graph G.
Each of the algorithms outputs in time f(k) ⋅ g(n) a decomposition of width given in the Approximation column. For example, the algorithm of in time either constructs a tree decomposition of the input graph G of width at most k or reports that the treewidth of G is more than k. Similarly, the algorithm of in time either constructs a tree decomposition of the input graph G of width at most 5k + 4 or reports that the treewidth of G is more than k. improved this to 2k + 1 in the same running time. Approximation f(k) g(n) reference exact O(1) 4k + 3 8k + 7 5k + 4 (or 7k + 6) n log n exact O(n) O(1) 4.5k + 4 exact O(1) 3k + 2 O(n log n) 5k + 4 O(n) O(n log n) 5k + 4 O(n log n) 2k + 1O(n) 5k + 4 O(n log n) exact (1+)k
It is not known whether determining the treewidth of planar graphs is NP complete, or whether their treewidth can be computed in polynomial time. In practice, an algorithm of can determine the treewidth of graphs with up to 100 vertices and treewidth up to 11, finding a chordal completion of these graphs with the optimal treewidth. For larger graphs, one can use search based techniques such as branch and bound search (BnB) and best first search to compute the treewidth. These algorithms are anytime in that when stopped early, they will output an upper bound on the treewidth. The first BnB algorithm for computing treewidth, called the QuickBB algorithm was proposed by Gogate and Dechter. Since the quality of any BnB algorithm is highly dependent on the quality of the lower bound used, Gogate and Dechter improved the QuickBB algorithm using best first search. On certain graphs, this best first search algorithm is an order of magnitude faster than QuickBB.
Шағын ағаштар кеңістігіндегі графиктерде басқа да мәселелерді шешу
1970-ші жылдардың басында графиктерде анықталған комбинаторлық оңтайландыру мәселелерінің үлкен класы, егер графиктің өлшемділігі шектелген болса, сериялық емес динамикалық бағдарламалау арқылы тиімді шешілетіні байқалды. Кейінірек, бірнеше авторлар 1980-ші жылдардың соңында тәуелсіз түрде, кез келген график үшін NP-толық болатын көптеген алгоритмдік мәселелер, шектелген ағаш ені бар графиктер үшін динамикалық бағдарламалау арқылы тиімді шешілуі мүмкін екенін анықтады, бұл үшін осы графиктердің ағаш декомпозициялары қолданылады. Мысалы, k ағаш ені бар графикті бояу мәселесін, графиктің ағаш декомпозициясында динамикалық бағдарламалау алгоритмін қолдану арқылы шешуге болады. Ағаш декомпозициясының әрбір жиыны үшін және төбелерінің түс кластарына бөлінуінің әрбір түрі үшін, алгоритм осы бояудың дұрыс екенін анықтайды және ағаш декомпозициясының барлық ұрпақ түйіндеріне осы түйіндерде есептелген және сақталған ұқсас ақпаратты біріктіру арқылы кеңейтуге болатынын тексереді. Нәтижесіндегі алгоритм n төбелі графиктің оңтайлы бояуын O(k^(k+O(1))n) уақытында табады, бұл мәселені тұрақты параметрлі шешімді ететін уақыт шегі.
Жолдың ені
Графтың жол ені, ағаш енімен салыстырғанда, ағаш ыдыраулары арқылы анықталуымен өте ұқсас, бірақ ыдыраудың негізгі ағашы жол граф болатын ағаш ыдырауларымен ғана шектеледі. Балама ретінде, жол ені интервалдық графтар арқылы, ағаш ені хордалық графтар арқылы анықталған сияқты анықталуы мүмкін. Осының салдарынан, графтың жол ені әрқашан оның ағаш енінен кем болмайды, бірақ ол тек логарифмдік факторға ғана артық болуы мүмкін. f үшін белгілі ең жақсы шектеулер: f кем дегенде d > 0 тұрақты үшін Ω(r^d) болуы керек, ал ең көп дегенде... Төменгі шектегі Ω нотациясы туралы мәліметтер үшін үлкен O нотациясына қараңыз. Шектелген графтар отбасы үшін нақтырақ шектеулер белгілі, бұл екі өлшемділік теориясы арқылы сол отбасылардағы көптеген графтарды оңтайландыру мәселелері үшін тиімді алгоритмдерге алып келеді. Халиннің тор теоремасы, шексіз графтар үшін ағаш ені мен тордың кіші өлшемі арасындағы байланысқа ұқсас нәрсені ұсынады.
For the Ω notation in the lower bound, see big O notation. Tighter bounds are known for restricted graph families, leading to efficient algorithms for many graph optimization problems on those families through the theory of bidimensionality. Halin's grid theorem provides an analogue of the relation between treewidth and grid minor size for infinite graphs.
Диаметрі және жергілікті ағаш ені
Субграфтарды алу кезінде жабық графтардың F отбасы, жергілікті ағаш енімен шектелген немесе диаметрлік ағаш ені қасиетіне ие болады, егер отбасыдағы графтардың ағаш ені олардың диаметрінің функциясымен жоғары шектелген болса. Егер сынып кәмелетке толмағандарды алу кезінде де жабық болса, онда F жергілікті ағаш енімен шектелген, егер және тек қана F үшін тыйым салынған кәмелетке толмағандардың бірі төбелік граф болса. Бұл нәтиженің бастапқы дәлелдемелері төбелік кәмелетке толмағандардан еркін графтар отбасындағы ағаш ені диаметрдің функциясы ретінде ең көп дегенде екі есе экспоненциалды өседі; кейін бұл бір есе экспоненциалды және соңында сызықтық шектеуге дейін қысқартылды. Шектелген жергілікті ағаш ені екі өлшемділік алгоритмдік теориясымен тығыз байланысты, және бірінші реттік логикада анықталатын кез келген граф қасиеті төбелік кәмелетке толмағандардан еркін графтар отбасы үшін тек сәл ғана сызықтық емес уақыт ішінде шешілуі мүмкін. Сонымен қатар, кәмелетке толмағандар бойынша жабылмаған графтар класы да жергілікті ағаш енімен шектелген болуы мүмкін. Атап айтқанда, бұл шектелген дәрежелі графтар класы үшін тривиальды түрде орындалады, себебі шектелген диаметрлі субграфтардың шектелген мөлшері бар. Тағы бір мысал – 1 жазықтық графтар, яғни әр қабырғасында бір қиылысы бар жазықтықта салынатын графтар, және жалпы жағдайда, әр қабырғасында шектелген саны қиылыстармен шектелген туыстың бетінде салынатын графтар. Жергілікті ағаш енімен шектелген кәмелетке толмағандар бойынша жабық графтар отбасылары сияқты, бұл қасиет осы графтар үшін тиімді жуықтама алгоритмдеріне жол көрсетті.
Хадвигер саны және S-функциялары
S функциялары деп аталатын график параметрлерінің класын анықтайды, оның ішінде ағаш ені де бар. Бұл функциялар, графиктерді бүтін сандарға түрлендіреді, және олардың шеттері жоқ графтар үшін мәні нөл болуы керек, кіші монотонды болуы керек (яғни, егер H графы G графының кіші графы болса, онда f(H) ≤ f(G) теңсіздігі орындалуы тиіс), барлық бұрынғы төбелеріне іргелес жаңа төбе қосылғанда мәні бірге артуы керек, және екі субграфтың екі жағындағы мәндердің үлкенін алуы керек. Мұндай функциялардың жиынтығы элемент бойынша ең кішкентай және ең үлкен мәндерді табу операциялары арқылы толық тор құрайды. Бұл тордың ең жоғарғы элементі – ағаш ені, ал ең төменгі элементі – Хадвигер саны, ол берілген графтың ең үлкен толық кіші графының өлшемі болып табылады.