Кіріспе
Бөлшектердің күрделілігінің өлшемі Математикада, математикалық ағаштың Стралер саны немесе Хортон-Стралер саны оның тармақталу күрделілігінің сандық өлшемі болып табылады. Бұл сандар алғаш рет гидрологияда өзендер мен өзендердің күрделілігін өлшеу тәсілі ретінде әзірленді. Бұл қолданбада олар Стрейлер ағысының тәртібі деп аталады және олар өзендердің иерархиясына негізделген өзен көлемін анықтау үшін қолданылады. Сондай-ақ, L жүйелерін және (биологиялық) ағаштар мен жануарлардың тыныс алу және қан айналымы жүйелері сияқты иерархиялық биологиялық құрылымдарды талдауда, жоғары деңгейдегі бағдарламалау тілдерін құрастыру үшін тіркелімдерді бөлуде және әлеуметтік желілерді талдауда да осындай сандар туындайды.
In mathematics, the Strahler number or Horton–Strahler number of a mathematical tree is a numerical measure of its branching complexity. These numbers were first developed in hydrology, as a way of measuring the complexity of rivers and streams, by and In this application, they are referred to as the Strahler stream order and are used to define stream size based on a hierarchy of tributaries. The same numbers also arise in the analysis of L systems and of hierarchical biological structures such as (biological) trees and animal respiratory and circulatory systems, in register allocation for compilation of high level programming languages and in the analysis of social networks.
Анықтама
Бұл жағдайда барлық ағаштар тамырдан жапыраққа қарай бағытталған бағытталған графиктер болып табылады; басқаша айтқанда, олар аробактериялар болып табылады. Ағаштың түйінінің дәрежесі - оның балаларының саны. Адам ағаштың барлық түйіндеріне төменнен жоғары қарай Стрехлер нөмірін келесідей тағайындауы мүмкін: Егер түйін жапырақ болса (баласы жоқ), оның Стрехлер нөмірі бір. Егер түйіннің бір баласы Страхлер саны i болса, ал қалған балалардың барлығы Страхлер саны i-ден аз болса, онда түйіннің Страхлер саны қайтадан i болады. Егер түйіннің екі немесе одан да көп баласы болса, онда түйіннің Страхлер саны i + 1 болады. Ағаштың Стралер саны - оның тамыр түйінінің саны. Алгоритмдік тұрғыдан алғанда, бұл сандар тереңдікті бірінші іздеуді орындау және әрбір түйіннің нөмірін кезекпен беру арқылы тағайындалуы мүмкін. Сонымен қатар, сол сандар кесу процесінде дақылдар сатылар ретімен оңайлатылады, онда әрбір сатыда барлық жапырақ түйіндері және жапырақтарға әкелетін бірінші дәрежелі түйіндердің барлық жолдары алынып тасталады: түйіннің Страхлер саны - бұл процеспен алынып тасталатын кезең, ал ағаштың Страхлер саны - оның барлық түйіндерін алып тастау үшін қажетті кезеңдер саны. Ағаштың Страхлер санының басқа бір теңдес анықтамасы - бұл берілген ағашта гомеоморфты түрде орналастырылатын ең үлкен толық қос әріпті ағаштың биіктігі; ағаштағы түйіннің Страхлер саны осы сияқты сол түйіннің астында орналастырылатын ең үлкен толық қос әріпті ағаштың биіктігі. I саны бар кез келген түйіннің i саны бар кем дегенде екі ұрпағы болуы керек, кем дегенде төрт ұрпағы бар және кем дегенде 2i - 1 жапырақ ұрпағы болуы керек. Сондықтан n түйіндері бар ағашта ең үлкен мүмкін Стрейлер саны log2 n + 1 болады. Алайда, егер ағаш толық екілік ағаш құрамаса, оның Страхлер саны осы шектен аз болады. Барлық мүмкін болатын екілік ағаштар арасында кездейсоқ таңдалған n түйінді екілік ағашта түбірлі түрде тамырының күтілетін индексі жоғары ықтималдығымен log4 n-ге өте жақын.
If the node is a leaf (has no children), its Strahler number is one. If the node has one child with Strahler number i, and all other children have Strahler numbers less than i, then the Strahler number of the node is i again. If the node has two or more children with Strahler number i, and no children with greater number, then the Strahler number of the node is i + 1. The Strahler number of a tree is the number of its root node. Algorithmically, these numbers may be assigned by performing a depth first search and assigning each node's number in postorder. The same numbers may also be generated via a pruning process in which the tree is simplified in a sequence of stages, where in each stage one removes all leaf nodes and all of the paths of degree one nodes leading to leaves: the Strahler number of a node is the stage at which it would be removed by this process, and the Strahler number of a tree is the number of stages required to remove all of its nodes. Another equivalent definition of the Strahler number of a tree is that it is the height of the largest complete binary tree that can be homeomorphically embedded into the given tree; the Strahler number of a node in a tree is similarly the height of the largest complete binary tree that can be embedded below that node. Any node with Strahler number i must have at least two descendants with Strahler number i − 1, at least four descendants with Strahler number i − 2, etc., and at least 2i − 1 leaf descendants. Therefore, in a tree with n nodes, the largest possible Strahler number is log2 n + 1. However, unless the tree forms a complete binary tree its Strahler number will be less than this bound. In an n node binary tree, chosen uniformly at random among all possible binary trees, the expected index of the root is with high probability very close to log4 n.
Өзендер желілері
Стрейлер ағысы ретімен гидрологияны қолдануда өзен желісі ішіндегі өзеннің немесе өзеннің әрбір сегменті ағаштағы түйін ретінде қарастырылады, келесі сегмент төменгі ағыста оның ата-анасы ретінде қарастырылады. Бірінші реттік екі ағын біріккенде, олар екінші реттік ағынды құрайды. Екінші реттік екі ағын біріккенде, олар үшінші реттік ағынды құрайды. Жоғары деңгейдегі ағынға қосылатын төменгі деңгейдегі ағын жоғары деңгейдегі ағынның реттілігін өзгертпейді. Осылайша, егер бірінші реттік ағын екінші реттік ағынға қосылса, ол екінші реттік ағын болып қалады. Екінші реттік ағын екінші реттік ағынмен біріккенде ғана үшінші реттік ағынға айналады. Математикалық ағаштардағыдай, i индексі бар сегмент кем дегенде 2i - 1 индексі бар әр түрлі тармақтармен қоректенуі керек. Шрев Хортон мен Стралер заңдары кез келген топологиялық кездейсоқ таралымнан күтілуі керектігін атап өтті. Кейінгі қарым-қатынастарды қарау осы аргументті растады, заңдарда сипатталған қасиеттерден өзен желісінің құрылымын немесе шығу тегін түсіндіру үшін ешқандай қорытынды жасауға болмайтынын анықтады. Ағын деп аталу үшін гидрологиялық белгі қайталанатын немесе көпжылдық болуы керек. Қайталанатын (немесе "арқалы") өзендер каналда кем дегенде жылдың бір бөлігінде су болады. Өзеннің индексі 1-ден (қоңыржайлары жоқ өзен) 12-ге дейін (ағыстағы әлемдегі ең күшті өзен - Амазонка) дейін болуы мүмкін. Огайо өзені сегізінші, ал Миссисипи өзені онінші деңгейде. Жердегі өзендердің 80% бірінші және үшінші реттік су ағыстары деп есептелді. Егер өзен желісінің екіге бөліну коэффициенті жоғары болса, онда су басу мүмкіндігі жоғары болады. Сонымен қатар, концентрация уақыты да төмендейді. Бифуркация коэффициенті сондай-ақ сумен ағарту бассейнінің қай бөліктерін салыстырмалы түрде су басу ықтималдығын көрсетеді, жеке қатынастарды қарастыру арқылы. Британдық өзендердің көпшілігінің бұрылыс қатынасы 3 пен 5 аралығында. ГИС қолданбасында Стрейлер ағысының реттік мәндерін есептеуді сипаттаңыз. Бұл алгоритм RivEX, ESRI ArcGIS Pro 3.2. x құралы арқылы іске асырылады. Олардың алгоритміне кіретін су көздерінің орталық сызықтарының желісі, бұрыштар (немесе жиектер) ретінде бейнеленеді, олар түйіндерде қосылады. Көл шекаралары мен өзен жағалауларын доғалар ретінде пайдаланбау керек, өйткені олар әдетте дұрыс емес топологиясы бар ағаш емес желісін құрайды. Баламалы ағындарды реттеу жүйелерін Shreve және Hodgkinson және басқалар әзірледі. Smart-тің мәліметтері бойынша Strahler және Shreve жүйелерінің статистикалық салыстыруы, сондай-ақ ағын/байланыс ұзындығының талдауы берілген.
describe how to compute Strahler stream order values in a GIS application. This algorithm is implemented by RivEX, an ESRI ArcGIS Pro 3.2. x tool. The input to their algorithm is a network of the centre lines of the bodies of water, represented as arcs (or edges) joined at nodes. Lake boundaries and river banks should not be used as arcs, as these will generally form a non tree network with an incorrect topology. Alternative stream ordering systems have been developed by Shreve and Hodgkinson et al. A statistical comparison of Strahler and Shreve systems, together with an analysis of stream/link lengths, is given by Smart.
Басқа иерархиялық жүйелер
Стрехлер нөмірлеуін тек өзендерге ғана емес, кез келген иерархиялық жүйенің статистикалық талдауында қолдануға болады. әлеуметтік желілерді талдауда Хортон-Страхлер индексін қолдануды сипаттау. L жүйелерін талдау үшін олар ағаштың сатысы деп аталатын Страхлер нөмірлеуінің нұсқасын қолданды (бірдің орнына жапырақтарда нөлден басталады). Страхлер нөмірлеуі, сондай-ақ, ағаштардың тармақталу құрылымы және жануарлардың тыныс алу және қан айналым жүйелері сияқты биологиялық иерархияларға да қолданылған.
Тізілімді бөлу
Жоғары деңгейдегі бағдарламалау тілін ассемблері тіліне аудару кезінде өрнекті бағалау үшін қажетті регистрлердің ең аз саны дәл оның Страхлер саны болып табылады. Осы орайда, Страхлер нөмірін тіркеу нөмірі деп те атауға болады. Қолда бар регистрлерден көп талап ететін өрнектер ағаштарында SethiUllman алгоритмі өрнектер ағашын машина нұсқауларының тізбегіне аудару үшін пайдаланылуы мүмкін, ол регистрлерді мүмкіндігінше тиімді пайдаланады, аралық мәндер регистрлерден негізгі жадыға ағып кету санын және нәтижесінде құрастырылған кодтағы нұсқаулардың жалпы санын азайтады.
Бифуркация коэффициенті
Ағаштың Страхлер сандарымен байланысты бифуркация қатынастары, ағаш қаншалықты теңгерімді екенін сипаттайтын сандар. Иерархиядағы әр i рет үшін i-ші бифуркация қатынасы, мұнда ni i ретпен тораптардың санын білдіреді. Жалпы иерархияның екіге бөліну коэффициенті екіге бөліну коэффициенттерінің әртүрлі реттердегі орташасын алу арқылы алынуы мүмкін. Толық екілік ағашта екіге бөліну қатынасы 2, ал басқа ағаштарда екіге бөліну қатынасы үлкен болады. Бұл өлшемсіз сан.
where ni denotes the number of nodes with order i. The bifurcation ratio of an overall hierarchy may be taken by averaging the bifurcation ratios at different orders. In a complete binary tree, the bifurcation ratio will be 2, while other trees will have larger bifurcation ratios. It is a dimensionless number.
Жолдың ені
Кездейсоқ бағытталмаған G графигінің жол ені ең кіші w саны ретінде анықталуы мүмкін, сондықтан G-ді субграфик ретінде қамтитын H интервалдық графигі бар, H-дегі ең үлкен клика w + 1 ұшы бар. Ағаштар үшін (бағытын және түбірін ұмытып, бағытсыз графтар ретінде қаралған) жол ені Страхлер санынан өзгеше, бірақ оған тығыз байланысты: w және s жол ені бар ағашта бұл екі сан теңсіздіктер арқылы байланысты w ≤ s ≤ 2w + 2. Стрейлер санымен салыстырғанда траекторияның енін тек ағаш емес, циклмен графиктерді өңдеу мүмкіндігі қосымша әмбебаптылыққа береді. Алайда, Стралер санынан айырмашылығы, жол ені тек бүкіл график үшін ғана анықталады, ал графиктегі әрбір торап үшін бөлек емес.
w ≤ s ≤ 2w + 2. The ability to handle graphs with cycles and not just trees gives pathwidth extra versatility compared to the Strahler number. However, unlike the Strahler number, the pathwidth is defined only for the whole graph, and not separately for each node in the graph.