Кіріспе
жиектермен байланысқан төбелер жиынтығы, жиектермен жұптар түрінде байланысқан төбелер. Дискретті математикада, әсіресе граф теориясында, граф – бұл кейбір объектілердің жұптары белгілі бір мағынада "байланысты" болатын объектілер жиынтығынан тұратын құрылым. Объектілер абстракциялармен, яғни төбелермен (немесе түйіндермен немесе нүктелермен) бейнеленеді, ал байланысты төбелердің әр жұбы жиек (немесе сілтеме немесе сызық) деп аталады. Әдетте, граф диаграммалық түрде төбелерді білдіретін нүктелер немесе шеңберлер жиынтығы ретінде, ал жиектерді білдіретін сызықтар немесе қисықтармен қосылған күйде көрсетіледі. Жиектер бағытталған немесе бағытталмаған болуы мүмкін. Мысалы, егер төбелер кештің қатысушыларын білдірсе және екі адам қол алысса, олардың арасында жиек болса, онда бұл граф бағытталмаған болады, себебі кез келген А адам тек қана Б адаммен қол алыса алады, егер Б де А адаммен қол алысса. Ал егер А адамнан Б адамға жиек, А адамның Б адамға қарызы бар екенін білдірсе, онда бұл граф бағытталған болады, себебі қарыз міндетті түрде өтелмеуі мүмкін. Графтар – граф теориясының негізгі зерттеу нысаны. "Граф" сөзін осы мағынада алғаш рет 1878 жылы Дж. Дж. Сильвестр математика мен химиялық құрылым арасындағы тікелей байланысқа байланысты (оның химиялық графикалық бейне деп атағаны) қолданды.
Vertices connected in pairs by edges
In discrete mathematics, and more specifically in graph theory, a graph is a structure amounting to a set of objects in which some pairs of the objects are in some sense "related". The objects are represented by abstractions called vertices (also called nodes or points) and each of the related pairs of vertices is called an edge (also called link or line). Typically, a graph is depicted in diagrammatic form as a set of dots or circles for the vertices, joined by lines or curves for the edges. The edges may be directed or undirected. For example, if the vertices represent people at a party, and there is an edge between two people if they shake hands, then this graph is undirected because any person A can shake hands with a person B only if B also shakes hands with A. In contrast, if an edge from a person A to a person B means that A owes money to B, then this graph is directed, because owing money is not necessarily reciprocated. Graphs are the basic subject studied by graph theory. The word "graph" was first used in this sense by J. J. Sylvester in 1878 due to a direct relation between mathematics and chemical structure (what he called a chemico graphical image).
Анықтамалар
Граф теориясындағы анықтамалар әртүрлі болып келеді. Төменде графиктер мен олармен байланысты математикалық құрылымдарды анықтаудың ең негізгі жолдары келтірілген.
График
Граф (кейде оны бағытталған графтан ажырату үшін бағытталмаған граф немесе мультиграфтан ажырату үшін қарапайым граф деп атайды) – G = (V, E) жұбы, мұнда V – элементтері төбелер деп аталатын жиын (бірлік: төбе), ал E – элементтері жиектер деп аталатын реттелмеген жұптар жиыны (кейде қабырғалар немесе сызықтар). {u, v} жиегінің u және v төбелері жиектің соңғы нүктелері деп аталады. Жиек u және v төбелерін қосады және оларға жанасады. Төбе бірде-бір жиекке жатпайтын болуы мүмкін, онда ол басқа төбемен қосылмайды және оқшауланған деп аталады. Жиек болған жағдайда, u және v төбелері іргелес деп аталады. Мультиграф – бірнеше жиектің бірдей соңғы нүктелері болуы мүмкін болатын жалпылау. Кейбір мәтіндерде мультиграфтар жай ғана графтар деп аталады. Кейде графтарда өзіне-өзі жалғанатын жиектер (циклдер) болады. Циклдерге рұқсат беру үшін E жиынындағы төбелердің жұптарында бір төбе екі рет кездесуі мүмкін. Мұндай жалпыланған графтар циклдері бар графтар немесе циклдерге рұқсат етілгенін контексттен түсініксіз болғанда жай ғана графтар деп аталады. Әдетте, V төбелер жиыны шекті деп есептеледі (соның салдарынан E жиектер жиыны да шекті болады). Кейде шексіз графтар қарастырылады, бірақ олар көбінесе екілік қатынастың ерекше түрі ретінде қарастырылады, өйткені шекті графтардағы көптеген нәтижелер шексіз жағдайға дейін қолданылмайды немесе басқаша дәлелдеме қажет. Бос граф – төбелер жиыны бос граф (соның салдарынан жиектер жиыны да бос). Графтың реті – оның төбелерінің саны, әдетте n арқылы белгіленеді. Графтың өлшемі – оның жиектерінің саны, әдетте m арқылы белгіленеді. Алайда, кейбір жағдайларда, мысалы, алгоритмдердің есептеу күрделілігін көрсету үшін, өлшем термині сан үшін қолданылады (әйтпесе, бос емес графтың өлшемі 0 болуы мүмкін). Төбедің дәрежесі немесе валенттілігі – оған жанасқан жиектердің саны; циклдері бар графтар үшін цикл екі рет есептеледі. n реттік графта әр төбедің ең жоғары дәрежесі n − 1 (немесе n + 1 егер циклдерге рұқсат етілсе, өйткені цикл дәрежеге 2 үстейді), ал жиектердің ең көп саны n(n − 1)/2 (немесе n(n + 1)/2 егер циклдерге рұқсат етілсе). Графтың жиектері төбелерде симметриялық қатынасты анықтайды, оны іргестестік қатынасы деп атайды. Нақтырақ айтқанда, егер {x, y} жиек болса, x және y екі төбесі іргелес болады. Граф оның іргестестік матрицасы A арқылы толық анықталады, ол n × n шаршы матрица, i төбесінен j төбесіне дейінгі байланыстардың санын көрсетеді. Қарапайым граф үшін A-ның элементі 0 – байланыс жоқ екенін немесе 1 – байланыс бар екенін білдіреді; сондай-ақ, қарапайым графтағы жиек бір төбеден басталып, сол төбеде аяқталуы мүмкін емес. Өзіне-өзі жалғанатын жиектері бар графтар кейбір немесе барлық A-ның элементтерінің оң бүтін санға тең болуымен сипатталады, ал мультиграфтар (төбелер арасында бірнеше жиектері бар) кейбір немесе барлық A-ның элементтерінің оң бүтін санға тең болуымен сипатталады. Бағытталмаған графтарда симметриялық іргестестік матрица болады (яғни A = Aᵀ).
Аралас график
Аралас график – кейбір қабырғалары бағытталған, ал кейбіреулері бағытталмаған график. Аралас қарапайым график үшін және аралас көп қабырғалы график үшін бұл реттелген үштік: G = (V, E, A), мұнда V – төбелер жиыны, E – бағытталмаған қабырғалар, A – бағытталған қабырғалар, және олар жоғарыда көрсетілгендей анықталады. Бағытталған және бағытталмаған графиктер – ерекше жағдайлар.
Салмақты график
Салмақты график немесе желі – әр қабырғасына салмақ саны тағайындалған график. Бұл салмақтар, мысалы, баға, қашықтық немесе сыйымдылық сияқты мәндерді білдіре алады, бұл қолданылып жатқан мәселеге байланысты. Мұндай графиктер көптеген жағдайларда кездеседі, мысалы, саяхатшы сатушысының мәселесі сияқты ең қысқа жол табу мәселелерінде.
Бағдарланған график
Бағдарланған графтың бір анықтамасы – бұл бағытталған граф, онда (x, y) және (y, x) жұбының тек біреуі ғана графтың қабырғасы бола алады. Яғни, бұл бағытталмаған (жа simple) графтың бағытталу арқылы құрылатын бағытталған граф. Кейбір авторлар "бағдарланған граф" терминін "бағытталған граф" терминімен бірдей мағынада қолданады. Ал кейбір авторлар "бағдарланған граф" терминін берілген бағытталмаған графтың немесе көп қабырғалы графтың кез келген бағытталуын білдіру үшін пайдаланады.
Тұрақты график
Тұрақты граф – әрбір төбесінің көршілерінің саны бірдей болатын граф, яғни әрбір төбесінің дәрежесі бірдей. Дәрежесі k болатын тұрақты граф k-тұрақты граф немесе k дәрежелі граф деп аталады.
Толық график
Толық график – әрбір екі төбесі де бір жиекпен қосылған график. Толық график барлық мүмкін жиектерді қамтиды.
Шекті график
Шекті граф — төбелер жиыны мен қабырғалар жиыны шекті жиынтықтар болатын граф. Әйтпесе, ол шексіз граф деп аталады. Графтар теориясында көбінесе қарастырылатын графтардың шекті екендігі түсініледі. Егер графтар шексіз болса, онда бұл әдетте нақты айтылады.
Байланысты график
Бағытталмаған графикте, егер x-тен y-ге дейін жол болса, реттелмеген төбелер жұбы байланысқан деп аталады. Әйтпесе, ретсіз жұп ажыратылған деп аталады. Байланысқан график – графиктегі кез келген ретсіз төбелер жұбы байланысқан бағытталмаған график. Әйтпесе, ол ажыратылған график деп аталады. Бағытталған графикте, егер бағытталған жол x-тен y-ге дейін болса, төбелердің реттелген жұбы (x, y) күшті байланысқан деп аталады. Әйтпесе, реттелген жұп әлсіз байланысқан деп аталады, егер барлық бағытталған қабырғаларын бағытталмаған қабырғалармен алмастырғаннан кейін x-тен y-ге дейін бағытталмаған жол болса. Әйтпесе, реттелген жұп ажыратылған деп аталады. Күшті байланысқан график – графиктегі кез келген реттелген төбелер жұбы күшті байланысқан бағытталған график. Әйтпесе, егер графиктегі кез келген реттелген төбелер жұбы әлсіз байланысқан болса, ол әлсіз байланысқан график деп аталады. Әйтпесе ол ажыратылған график деп аталады. k төбесімен байланысқан граф немесе k қабырғасымен байланысқан граф – k-1 төбесін (немесе қабырғаларын) алып тастағанда граф ажыратылатын болса, ондай граф. k төбесімен байланысқан графты көбінесе жай ғана k байланысқан граф деп атайды.
Екі жақты график
Бипартитті график – бұл қарапайым график, онда төбелер жиыны W және X екі жиынтыққа бөлінеді, сонда W жиынындағы екі төбе ортақ қабырғаға ие болмайды және X жиынындағы екі төбе ортақ қабырғаға ие болмайды. Басқаша айтқанда, бұл 2 хроматикалық саны бар график. Толық бипартитті графикте төбелер жиыны W және X екі бөлек жиынтықтың бірігімі болып табылады, сондықтан W жиынындағы әрбір төбе X жиынындағы әрбір төбемен қосылған, бірақ W немесе X жиынында қабырғалар жоқ.
Жолды кескін
n ≥ 2 реттік жол графигі немесе сызықтық график – бұл төбелерін v1, v2, ..., vn ретімен тізімдеуге болатын график, мұнда i = 1, 2, ..., n − 1 үшін қабырғалар болады. Жол графиктерін барлық төбелерінің дәрежесі 2-ге тең болса, тек екі төбесінің ғана дәрежесі 1-ге тең болатын байланысты графиктер деп сипаттауға болады. Егер жол графигі басқа графиктің ішкі графигі ретінде кездессе, онда ол сол графиктегі жол болып есептеледі.
Жазық график
Жазық график – қатар орналасқан төбелері мен қабырғалары бар график, оларды жазықтықта бірде-бір қабырға екіншісімен қиылыспайтындай етіп салуға болады.
Циклдық график
n ≥ 3 реттік циклдік график немесе дөңгелек график – бұл төбелерін v1, v2, …, vn ретімен тізімдеуге болатын график, мұнда қабырғалары (vi, vi+1) түрінде болады, i = 1, 2, …, n − 1, сонымен қатар (vn, v1) қабырғасы да бар. Циклдік графиктерді барлық төбелерінің дәрежесі 2-ге тең болатын байланысты графиктер деп сипаттауға болады. Егер циклдік график басқа графиктің ішкі графигі ретінде кездессе, онда ол сол графиктегі цикл немесе контур болып табылады.
Ағаш
Ағаш – кез келген екі төбесі бір ғана жолмен байланысқан бағытталмаған граф, немесе, балама ретінде, байланысты ациклді бағытталмаған граф. Орман – кез келген екі төбесі ең көп дегенде бір жолмен байланысқан бағытталмаған граф, немесе, балама ретінде, ациклді бағытталмаған граф, немесе, балама ретінде, ағаштардың жиынтығы.
Политри
Полидерек (немесе бағытталған ағаш немесе бағдарланған ағаш немесе жалғыз байланысқан желі) — бағытталған ациклдік граф (DAG), оның негізгі бағытсыз графигі ағаш болып табылады. Полиорман (немесе бағытталған орман немесе бағдарланған орман) — бағытталған ациклдік граф, оның негізгі бағытсыз графигі орман болып табылады.
Графиктердің қасиеттері
Егер графтың екі жиегі ортақ төбесімен шектессе, олар жанасқан деп аталады. Бағытталған графтың екі жиегі, егер біріншісінің басы екіншісінің құйрығымен беттессе, тізбектес деп аталады. Сол сияқты, екі төбе ортақ жиекпен байланысқан жағдайда, олар жанама деп аталады (ал егер біріншісі жиектің құйрығы, екіншісі басы болса, тізбектес), мұнда ортақ жиек екі төбені қосады. Жиек және сол жиектегі төбе инцидентті деп аталады. Тек бір төбесі бар және жиектері жоқ граф тривиалды граф деп аталады. Тек төбелері бар және жиектері жоқ граф жиексіз граф деп аталады. Төбесі де, жиегі де жоқ графты кейде нөлдік граф немесе бос граф деп атайды, бірақ терминология тұрақты емес және барлық математиктер осы нысанға рұқсат бермейді. Әдетте, графтың төбелері, жиын элементтері ретінде, ерекшеленеді. Мұндай граф төбелері белгіленген граф деп аталуы мүмкін. Дегенмен, көптеген сұрақтар үшін төбелерді ерекшелемеу жақсы. (Әрине, төбелер графиктің өзінің қасиеттері арқылы, мысалы, инцидентті жиектер саны арқылы ерекшеленуі мүмкін.) Осы ескертулер жиектерге де қатысты, сондықтан жиектері белгіленген графтар жиектері белгіленген графтар деп аталады. Жиектеріне немесе төбелеріне белгілер қойылған графтар жалпы жағдайда белгіленген графтар деп аталады. Сәйкесінше, төбелері ерекшеленбейтін және жиектері ерекшеленбейтін графтар белгісіз графтар деп аталады. (Әдебиетте "белгіленген" термині, тек әртүрлі төбелерді немесе жиектерді ерекшелеуге қызмет ететін белгілеуден басқа да түрлерге қатысты болуы мүмкін.) Барлық графтардың санаттары – бұл үтірлі санат Set ↓ D, мұнда D: Set → Set – жиынды s-ден s × s-ке бейнелейтін функтор.
Жалпылау
Гиперграфта бір шет кез келген оң сан түйінді біріктіре алады. Бағытталмаған графты 1-сымплекстерден (қабырғалардан) және 0-сымплекстерден (түйіндерден) тұратын симплекстік кешен ретінде қарастыруға болады. Осылайша, кешендер графтардың жалпылама түрі болып табылады, себебі олар жоғары өлшемді симплекстерге мүмкіндік береді. Кез келген графтан матроид туындайды. Модельдер теориясында граф – тек бір құрылым. Бірақ осы жағдайда қабырғалар санына шектеу қойылмайды: ол кез келген кардинал санға тең болуы мүмкін, мысалы, үздісіз графты қараңыз. Есептеу биологиясында қуатты графтарды талдау, қуатты графтарды бағытталмаған графтардың баламалы бейнесі ретінде ұсынады. Географиялық ақпараттық жүйелерде геометриялық желілер графтар негізінде модельделеді және жол желілері немесе инженерлік желілер бойынша кеңістіктік талдау жүргізу үшін графтар теориясынан көптеген түсініктерді қолданады.