Выполнила: Мухина Анна, ученица 9А класса
Руководитель: Колчанова Г.Р.
учитель математики

Метод графов очень важен и широко
 Метод графов очень важен и широко
применяется в различных областях науки и
жизнедеятельности человека.
жизнедеятельности человека.
 Решение многих математических задач
упрощается, если удается использовать
графы. Представление данных в виде графа
придает им наглядность и простоту.
также упрощаются, приобретают
убедительность, если пользоваться графами.
 Многие математические доказательства

Цель: рассмотреть решение задач с
использованием «Граф», рассмотреть
«Графы» на примерах алгоритмов и
родословных деревьев
Задачи:
 Изучить научно- популярную литературу по
 Проанализировать результаты проведенных
данному вопросу.
экспериментов

 Граф - система, которая интуитивно может быть рассмотрена
как множество кружков и множество соединяющих их. Кружки
называются вершинами графа, линии со стрелками - дугами,
без стрелок -ребрами.
 Начало теории графов датируют 1736 г., когда Л. Эйлер решил
популярную в то время «задачу о кенигсбергских мостах».
 Термин «граф» впервые был введен спустя 200 лет (в 1936 г.) Д. Кенигом.
 Математические графы с дворянским титулом «граф» связывает общее
 Графами являются алгоритмы 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.
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.
Выбранные точки графа называются его вершинами, а соединяющие их линии
– ребрами.
 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.

 Город Кенигсберг расположен на
берегах реки Прегель и двух
островах. Различные части города
были соединены семью мостами. По
воскресеньям горожане совершали
прогулки по городу. Вопрос: можно
ли совершить прогулку таким
образом, чтобы, выйдя из дома,
вернуться обратно, пройдя в
точности один раз по каждому мосту.
Мосты через реку Прегель
расположены как на рисунке.
 Рассмотрим граф, соответствующий
схеме мостов
 Чтобы ответить на вопрос задачи,
достаточно выяснить, хотя бы из
одной вершины выходит четное
число мостов.
 Нельзя, прогуливаясь по городу,
пройти по одному разу все мосты и
вернуться обратно.

 Рассмотрим задачу о поиске выхода
из лабиринта, коридоры которого не
возникает, например, при блуждании
обязательно находятся на одном
уровне. Подобная ситуация
в пещерах или катакомбах.
Корт
 На рисунке изображен интересный
пример лабиринта в саду Хемптон
 Построим соответствующий ему
граф. Коридоры лабиринта – это
ребра графа, а перекрестки, тупики,
входы и выходы – это вершины.
 Теперь хорошо видно, что в центр
лабиринта можно попасть, следуя по
 И, соответственно, выйти из центра
следующим вершинам:
1 - 4 - 7 - 10 - 9 - 11 - 12 - 13.
лабиринта по маршруту:
13 - 12 - 11 - 9 - 10 - 7 - 4 - 1.

Подробнее графы мы рассмотрим на двух
примерах:
 Алгоритмы
 Родословные деревья

Научное общество учащихся

«Поиск»

40 Открытая областная научная конференция учащихся.

Секция математики .

Научная работа по теме:

«Графы» в моей родословной

Выполнила: Лобурец Виктория

ученица 7 класса

МОУ «Куломзинская СОШ»

Руководитель:

Лысенко Ольга Григорьевна

учитель математики

МОУ «Куломзинская СОШ»

Омск - 2008г.

1. 
   Актуальность и новизна
2. 
   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

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение………………………………………………………………..…….3

П.1.1. Актуальность и новизна……………………………………………..4

П.1.2.Цели и задачи…………………………………………………………4

Глава I.Теоретическаячасть …...………………………………….……….5

П.2.1.Понятие о графах……………………………………………………..5

Глава II. Практическая часть……………………………………………..11

П.2.1. «Графы» в моей родословной……………………………………..11

П.2.2.Решение логических задач методом графа………………………..11

Заключение…..……………………………………………………………...17

Литература……..……………………………………………………………..18

Приложения…………………………………………………………………..19

Введение
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. Теория графов – важный раздел дискретной математики, практическая роль которой возросла за счёт развития различных АСУ и вычислительной техники дискретного действия, в теоретическом плане помимо связей с комбинаторикой и геометрией наметились сдвиги на стыке теории графов с алгеброй, математической логикой.

Исторически сложилось так, что теория графов зародилась в ходе решения головоломок двести с лишним лет назад. Очень долго она находилась в стороне от главных направлений исследований ученых. Толчок к развитию теория графов получила на рубеже XIX и XX столетий, когда резко возросло число работ в области топографии и комбинаторики, с которыми ее связывают самые тесные узы родства. Наиболее раннее упоминание о графах встречается в работе Л. Эйлера (1736г). В середине XIX века инженер-электрик Г. Кирхгоф разработал теорию деревьев для исследования электрических цепей, а математик А. Кэли в связи с описанием строения углеводородов решил перечислительные задачи для трех типов деревьев. Окончательно как математическая дисциплина теория графов оформилась в 1936г. после выхода монографии Д. Кёнига «Теория конечных и бесконечных графов».

В последнее время графы и связанные с ними методы исследований органически пронизывают на разных уровнях едва ли не всю современную математику. Теория графов находит массу приложений как в различных областях математики: алгебре, геометрии, топологии, комбинаторике, теории кодирования, исследовании операций, так и в физике, химии, лингвистике, экономике, психологии и других науках.

Решение многих математических задач упрощается, если удается использовать графы. Представление данных в виде графа придает им наглядность и простоту.

Новизной данной работы является доказательство эффективности метода графа при решении логических задач.

Главной целью школьного математического образования является развитие умственных способностей учеников. Нужен переход от информационно- объяснительной технологии к деятельно-развивающей, направленной на развитие личностных качеств каждого школьника. Важными должны стать не только усвоенные знания, но и сами способы усвоения и переработки учебной информации, развитие познавательной деятельности и творческого потенциала ученика. Большинство школьников свои приобретенные знания по математике вряд ли будут использовать в повседневной жизни, хотя многие из них закончат технические ВУЗы. Человек быстро забывает те знания, которыми постоянно не пользуется, но с ним навсегда остается логическое развитие. Именно этой актуальной теме развития личности учащегося посвящается моя работа.

Объектом исследования является процесс обучения учащихся методу «графа».

Гипотеза : по нашему предположению решение учащимися логических задач методом графа могут способствовать формированию и развитию логического мышления.

Исходя из гипотезы выдвинуты следующие цели и задачи исследования.

2. Цель и задачи.
Цель : использовать метод графа для решения логических задач, тем самым способствовать развитию логического мышления, рассмотреть решение задач с использованием понятия «Граф», проверить выполнение «Графов» на родословных.

Задачи:

1)Изучить научно- популярную литературу по данному вопросу.

2)Исследовать выполнение «Графов» для выяснения родственных отношений.

3)Проанализировать результаты проведенных экспериментов.

4)Изучение метода «графа», как метода решения логических задач.

Гл.I. Теоретическая часть

П.2.1. Понятие о графах

Слово «граф» в математике означает картинку, где нарисовано несколько точек, некоторые из которых соединены линиями. 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 определении 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 друг от друга 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 одной 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.

рис.7.

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. 7 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. Решение: 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. 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.

Гл.II. Практическая часть.
П.2.1. «Графы» в моей родословной.
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 провела исследование, результаты исследования поместила в схемы и проанализировала их.

Методика 1.
Цель: проверить выполнение ’’Графов” на своей родословной.

Результаты: схема 1(см. приложение 1).

Методика 2.
Цель: проверить выполнение ’’Графов’’ на родословной князей Голицыных.

Результат: схема 2 (см. приложение 2).

Вывод: я заметила, что родословная – типичный граф.
П. 2.2. Решение логических задач методом графа
В течение всех лет обучения в школе мы много решаем разнообразных задач, в том числе и логических: задачи занимательного характера, головоломки, анаграммы, ребусы и т.п. Чтобы успешно решать задачи такого вида, надо уметь выделять их общие признаки, подмечать закономерности, выдвигать гипотезы, проверять их, строить цепочки рассуждений, делать выводы. Логические задачи от обычных отличаются тем, что не требуют вычислений, а решаются с помощью рассуждений. Можно сказать, что логическая задача – это особая информация, которую не только нужно обработать в соответствии с заданным условием, но и хочется это сделать. Логика помогает усваивать знания осознанно, с пониманием, т.е. не формально; создаёт возможность лучшего взаимопонимания. Логика – это искусство рассуждать, умение делать правильные выводы. Это не всегда легко, потому, что очень часто необходимая информация «замаскирована», представлена неявно, и надо уметь её извлечь. Как известно, видение рождает мышление. Возникает проблема: как установить логические связи между разрозненными фактами и как оформить в виде единой целой. Видеть ход доказательства и решения задач позволяет метод граф - схем, который делает доказательство более наглядным и позволяет кратко и точно изложить доказательства теорем и решения задач.

Пример 1.1 . Красный, синий, желтый и зеленый карандаши лежат в четырех коробках по одному. Цвет карандаша отличается от цвета коробки. Известно, что зеленый карандаш лежит в синей коробке, а красный не лежит в желтой. В какой коробке лежит каждый карандаш?

Решение. Обозначим точками карандаши и коробки. Сплошная линия будет обозначать, что карандаш лежит в соответствующей коробке, а пунктирная, что не лежит. Тогда с учетом задачи имеем G1 (рис. 1).

Рис.1
Далее достраиваем граф по следующему правилу: поскольку в коробке может лежать ровно один карандаш, то из каждой точки должны выходить одна сплошная линия и три пунктирные. Получается граф G2 , дающий решение задачи.

Пример 1.2. Беседуют трое друзей: Белокуров, Чернов и Рыжов. Брюнет сказал Белокурову: «Любопытно, что один из нас белокурый, другой брюнет, третий рыжий, но ни у кого цвет волос не соответствует фамилии». Какой цвет волос имеет каждый из друзей?

Решение. Построим граф отношения, заданного в условии задачи. Для этого, прежде всего, выделим множество фамилий М и множество цветов волос К, элементы которых будем обозначать точками. Точки множества М назовем буквами Б, Ч, Р (Белокуров, Чернов и Рыжов); точки второго множества – б, бр, р (белокурый, брюнет, рыжий). Если точке из одного множества соответствует точка из другого, мы их соединим сплошной линией, а если не соответствует – штриховой. Условие задачи указывает лишь на несоответствия, поэтому, вначале должен возникнуть граф, изображенный на рисунке 2.

Рис.2

Из условия задачи следует, что для каждой точки из множества М, существует одна и только одна точка из множеств К, которая соответствует первой и, наоборот, каждой точке из множества К соответствует одна и только одна точка из множества М. Задача сводится к тому, чтобы найти это единственно возможное соответствие между элементами множеств М и К, т. е. к нахождению трех сплошных линий, соединяющих соответствующие точки множеств.

Принцип решения задачи прост. Если какая-то точка оказывается соединенной с двумя точками другого множества штриховыми линиями, то с его третьей точкой ее необходимо соединить сплошной линией. Поэтому граф на рисунке 2 дополняется сплошными линиями, соединяющими точки Б и р , Р и бр (рис. 3).

Рис.3
Далее остается соединить сплошной линией точку Ч и точку б , так как точка Ч соединена с точкой бр штриховой линией, а точка р уже «занята» (рис. 4).

Рис. 4

Таким образом, на графе этого рисунка автоматически прочитываем ответ: Белокуров - рыжий, Чернов - белокурый, Рыжов – брюнет.

В следующей задаче применение графов помогает обнаружить наличие двух решений.

Пример 1.3. Маша, Лида, Женя и Катя умеют играть на разных инструментах (виолончели, рояле, гитаре и скрипке), но каждая только на одном. Они же владеют разными иностранными языками (английским, французским, немецким и испанским), но каждая только одним. Известно, что:

1. девушка, которая играет на гитаре, говорит по-испански;

2. Лида не играет ни на скрипке, ни на виолончели и не знает английского языка;

3. Маша не играет ни на скрипке, ни на виолончели и не знает английского языка;

4. девушка, которая говорит по-немецки, не играет на виолончели;

5. Женя знает французский язык, но не играет на скрипке.

Кто на каком инструменте играет и какой иностранный язык знает?

Решение. Условию задачи соответствует граф, изображенный на рисунке 5.

Рис. 5

Проведем последовательно следующие сплошные отрезки: КС, ВЖ, ВФ, АК (рис.6).

Рис. 6

Тем самым образуются два «сплошных» треугольника ЖВФ и КСА. Проводим еще сплошной отрезок РН. Теперь убеждаемся, что условия задачи не обеспечивают однозначности выбора третьей точки для каждой из пар РН и ГИ. Возможны следующие варианты «сплошных» треугольников: МГИ и ЛРН или ЛГИ и МРН. Таким образом, задача имеет два решения.

В некоторых случаях решение комбинаторных задач может быть затруднено. Облегчить процесс нахождения можно, научившись пользоваться такими средствами организации перебора как таблицы и графы. Они позволяют расчленить ход рассуждений, четко провести перебор, не упустив каких-либо возможностей.

Сначала как наиболее простым средством организации перебора нужно познакомится с таблицами.

Для примера рассмотрим такую задачу:

Имеются два сосуда вместимостью 3л и 5л. Как с помощью этих сосудов налить из водопроводного крана 4л воды?

Начнем с конца. Как в результате может получиться 4л? – Из 5-литрового сосуда отлить 1л. Как это сделать? – Надо в 3-литровом сосуде иметь ровно 2л. Как их получить? – Из 5-литрового сосуда отлить 3 литра. Теперь запишем решение задачи сначала в виде таблицы.

Поиск решения можно начать с действия 3+1, что привело бы к решению, записанному в следующей таблице.

Из чисел 3 и 5 можно составить выражения, имеющие значение 4:

5-3+5-3=4 и 3+3-5+3=4

Несложно убедиться, что полученные выражения соответствуют найденным выше решениям.

Второе средство организации при решении комбинаторных задач, которое можно использовать – графы.

Приведу пример решения с применением граф - дерева для решения комбинаторной задачи.

Например, требуется решить задачу: «Однажды встретились пятеро друзей. Каждый здороваясь, пожал каждому руку. Сколько рукопожатий было сделано».

Сначала выясняется, как нужно обозначить каждого человека. Рассматривая разные предложения, приходят к тому, что быстрее и удобнее изображать людей точками. Точки нужно расположить примерно по кругу, нарисовать их цветным карандашом, чтобы записи были понятными и наглядными. От двух точек навстречу друг к другу проводят черточки – «руки», которые встречаясь образуют одну линию. Так приходят к символическому изображению рукопожатия. Сначала составляются все рукопожатия одного человека (точка соединяется линиями со всеми остальными). Потом переходят к другому человеку. Проведенные лини помогают увидеть, с кем он уже поздоровался, а с кем – нет. Составляются недостающие рукопожатия (эти линии лучше проводить другим цветом, так как потом лучше будет подсчитать общее число рукопожатий). И так действуют до тех пор, пока все не поздороваются друг с другом. По получившему графу подсчитать число рукопожатий (их всего 10).

Следующая задача :

«Сколько двухзначных чисел можно составить, используя цифры 1,2,3,4?».

Решение. Число 12: надо показать, что начинает с цифры 1, а оканчивается цифрой 2. петля появляется при обозначении, например, числа 11: стрелка должна начинаться и заканчиваться на одной и той же цифре. Открыв для себя первых задачах эти условные обозначения (точки, лини, стрелки, петли), я стала применять их при решении различных задач, составляя графы того или иного вида (рис 2).

ответ:16 чисел.

Приведу некоторые примеры:

1.В финал турнира по шашкам вышли два российских игрока, два немецких и два американских. Сколько партий будет в финале, если каждый играет с каждым по одному разу и представители одной страны между собой не играют? (рис.3.).

н

Н



В финале будет сыграно 4×6 = 24партии.
2.В вазе лежали конфеты четырех сортов. Каждый ребенок взял две конфеты. И у всех оказались отличающие наборы конфет. Сколько могло быть детей? (граф на рис.4).

Из данного графа становится понятно, что возможно 6 отличающихся наборов конфет, а следовательно, детей могло быть 6.

Вывод: Графовые задачи обладают рядом достоинств, позволяющих использовать их для развития соображения и улучшения логического мышления детей, начиная с детского сада и заканчивая старшими классами средней школы. Язык графов прост, понятен и нагляден. Графовые задачи допускают изложение в занимательной, игровой форме. С другой стороны, графовые задачи труднее поддаются формализации, чем, например, школьные задачи по алгебре, для их решения часто не требуется глубоких знаний, а следует применить смекалку.

С их помощью можно обеспечивать учеников новыми знаниями, которые облегчат ему в дальнейшем изучение информатики; повышать логическое и умственное развитие школьников; приучать их к самостоятельной работе; развивать их воображение и повышать культуру общения.

При решении комбинаторных задач сохраняется тесная связь мышления с практическими действиями, обеспечивается постепенный переход действиям в уме, способствует развитию качества мышления, как вариативность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполняя эту работу, я изучила один из интереснейших вопросов теории графов, я рассмотрела математические графы, области их применения, решила несколько задач с помощью графов. Научилась использовать «графы» для выяснения родственных отношений. Изучила метод «графов», как один из методов решения логических задач.

Теория графов не изучается в школьном курсе, но с задачами по дискретной математике приходится сталкиваться довольно часто на различных математических олимпиадах и конкурсах. Графы достаточно широко применяются в математике, технике, экономике, управлении. Знание основ теории графов необходимо в различных областях, связанных с управлением производством, бизнесом (например, сетевой график строительства, графики доставки почты), и познакомившись с элементами теории графов, я надеюсь, что смогу успешно решать не только олимпиадные задачи.

В дальнейшем я собираюсь продолжить изучение теории графов, потому что этот раздел математики показался мне интересным и полезным. Кроме того, работая над исследовательской работой, я освоила работу на компьютере в текстовом редакторе Word и Рower Point. Я считаю, что задачи исследовательской работы выполнила.

Литература.

1. 
   Березина Л.Ю. Графы и их применение. – М., 1979.
2. 
   Виленкин Н.Я. Математика. – М.: Русское слово, 1997.
3. 
   Гарднер М. «Математические досуги» М.: Мир,1972
4. 
   Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. - М.: УРСС, 2005.
5. 
   Коннова Л.П. Знакомтесь, графы. – Самара, 2001.
6. 
   Лыкова И.А. Логические задачки –М.: Карапуз, 2000.
7. 
   Савин А.В. Энциклопедический словарь юного математика. 2-е изд., - М.: Педагогика, 1989
8. 
   Шадринова В.Д. Познавательные процессы и способности в обучении – М.: Просвещение, 1980
9. 
   Чистяков В. П. Курс теории вероятностей. М., Просвещение, 1982.

Приложения.
Приложение 1.
Лобурец Виктория Владимировна 1994 гр.

Лобурец В. Н

1962
.

Орловская Л. В.

Кучин Анатолий Николаевич

Руководитель проекта:

Куклина Татьяна Ивановна

Учреждение:

МБОУ "Основная общеобразовательная школа" п. Троицко-Печорск Респ. Коми

В своей исследовательской работе по математике "В мире графов" я постараюсь выяснить особенности применения теории графов при решении задач и в практической деятельности. Результатом моей исследовательской работы по математике о графах станет генеалогическое древо моей семьи.

В исследовательской работе по математике я планирую познакомиться с историей теории графов, изучить основные понятия и виды графов, рассмотреть методы решения задач с помощью графов.

Также, в исследовательском проекте по математике о графах я покажу применение теории графов в различных областях жизнедеятельности человека.

Введение
Глава 1. Знакомимся с графами
1.1. История графов.
1.2. Виды графов
Глава 2. Возможности применения теории графов в различных областях повседневной жизни
2.1. Применение графов в различных областях жизни людей
2.2. Применение графов при решении задач
2.3. Генеалогическое древо – один из способов применения теории графов
2.4. Описание исследования и составление генеалогического древа моей семьи
Заключение
Использованная литература
Приложения

«В математике следует помнить не формулы,
а процесс мышления».
Е.И. Игнатьева

Введение

Графы повсюду! В моей исследовательской работе по математике на тему "В мире графов" речь пойдет о графах, которые, к аристократам былых времен никакого отношения не имеют. «» имеют корень греческого слова «графо », что значит «пишу ». Тот же корень в словах «график », «биография », «голография ».

Впервые с понятием “граф ” я встретился при решении олимпиадных задач по математике. Трудности в решении этих задач объяснялись отсутствием этой темы в обязательном курсе школьной программы. Возникшая проблема стала главной причиной выбора темы данной исследовательской работы. Я решил подробно изучить всё, что связано с графами. Как широко используется метод графов и насколько важен он в жизни людей.

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.

Выяснить особенности применения теории графов при решении задач и в практической деятельности.

Объектом исследования является математические графы.

Предметом исследования являются графы как способ решения целого ряда задач практической направленности.

Гипотеза: если метод графов так важен, то обязательно найдется его широкое применение в различных областях науки и жизнедеятельности человека.

Для реализации поставленной цели, мною были выдвинуты следующие задачи:

1. познакомиться с историей теории графов;
2. изучить основные понятия теории графов и виды графов;
3. рассмотреть способы решения задач с помощью графов;
4. показать применение теории графов в различных областях жизни человека;
5. создать генеалогическое древо моей семьи.

Методы: наблюдение, поиск, отбор, анализ, исследование.

Исследование:
1. были изучены ресурсы сети Интернет и печатные издания;
2. выписаны области науки и жизнедеятельности человека, в которых используется метод графов;
3. рассмотрено решение задач с помощью теории графов;
4. изучена методика составления генеалогического древа моей семьи.

Актуальность и новизна.
Теория графов в настоящее время является интенсивно развивающимся разделом математики. Это объясняется тем, что в виде графовых моделей описываются многие объекты и ситуации. 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.

Чтобы убедится в этом, мной и руководителем было предложено учащимся 5-9 классов, участникам школьного и муниципального туров Всероссийской олимпиады школьников, 4 задачи, при решении которых можно применить теорию графов (Приложение 1 ).

Результаты решения задач таковы:
Всего 15 учащихся (5 класс – 3 ученика, 6 класс - 2 ученика, 7 класс – 3 ученика, 8 класс - 3 ученика, 9 класс - 4 ученика) применили теорию графов в 1 задаче – 1, во 2 задаче – 0, в 3 задаче – 6, в 4 задаче – 4 учащихся.

Практическая значимость исследования заключается в том, что результаты несомненно вызовут интерес у многих людей. Разве не пытался кто-то из вас построить генеалогическое дерево своей семьи? А как это сделать грамотно?
Оказывается они решаются при помощи графов легко.

Содержание:

I. Введение……………………………………………………………………2

II. Основная часть.

1.История возникновения теории графов…………………………………….4

2.Основные понятия теории графов…………………………………………..5

3.Некоторые задачи теории графов…………………………………………...6

3.1 Задачи о вычерчивании фигур одним росчерком………………………..8

3.2 Задачи с лабиринтами……………………………………………………..10

3.3 Логические задачи…………………………………………………………12

4.Применение теории графов в различных сферах деятельности…………..15

4.1.Графы и история……………………………………………………………17

4.2.Графы и химия……………………………………………………………...18

4.3. Графы и физика…………………………………………………………….19

III . Заключение………………………………………………………………..20

IV . Список литературы………………………………………………………21

Приложение 1………………………………………………………………….22

Приложение 2………………………………………………………………….25

Приложение 3…………………………………………………………………..26

I Введение

Всем известна занимательная задачка про открытый конверт: «Начертите фигуру, не отрывая карандаша от бумаги и не проводя никакую линию дважды».

В этом году я был участником дистанционной олимпиады по математике. В ней была предложена такая задача:

«Почтальон Печкин разнёс почту во все дома деревни, после чего зашёл к дяде Фёдору выпить молока. На рисунке показаны все тропинки, которые проходил Печкин, причём как оказалось, ни одной из них он не проходил дважды. Каким маршрутом шёл почтальон Печкин? В каком доме живёт дядя Фёдор?»

Разбирая решение этой задачи, я задался вопросом: «Можно ли решить эти задачи не перебором, а другим, более быстрым, способом?»

После этого я обратился к своему учителю, и мне объяснили, что решить эту задачу я могу, изучив теорию графов. Но прежде, чем найти ответ на свой вопрос, я увидел, что теория графов помогает упростить решение многих задач. Графы заинтересовали меня своей возможностью помогать в решении различных головоломок, математических и логических задач.

Цель:

показать применение теории графов для решения различных видов задач.

Задачи:

Изучить элементы теории графов.

Разобрать решение различных видов задач.

Узнать о применении графов в науке и в различных сферах деятельности.

Методы исследования:

Поиск и анализ информации в литературе.

Поиск и изучение информации в интернет – ресурсах.

Моделирование.

II Основная часть

1. История возникновения теории графов.

Датой рождения теории графов принято считать 1736 год, когда Леонард Эйлер решил задачу о кенигсбергских мостах (Приложение 1.) .

Р
укава реки Прегель, на берегу которой расположен город Кенигсберг, образовывали два острова. В эту эпоху четыре образовавшихся участка суши (правый и левый берег и два острова) соединяло семь мостов так, как это показано на рисунке. Горожане, гуляя по городу, пытались составить маршрут, чтобы он проходил по каждому мосту ровно один раз. Это им не удавалось, а Эйлер доказал, что это принципиально невозможно.

Термин «граф» впервые ввел в 1936 году венгерский математик Денеш Кениг. Широкое развитие теория графов получила в 50-х годах 20 века в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной техники.

Слово «граф» в математике означает картинку, где нарисовано несколько точек, некоторые из которых соединены линиями. С дворянским титулом «граф» их связывает общее происхождение от латинского слова «графио» - пишу.

2. Основные понятия теории графов.

В математике определение графа дается так: «графом называется конечное множество точек, некоторые из которых соединены линиями. Точки называются вершинами графа, а соединяющие линии – рёбрами».

Схема графа, состоящая из «изолированных» вершин, называется нулевым графом. (рис.2)

Графы, в которых не построены все возможные ребра, называются неполными графами. (рис.3)

Графы, в которых построены все возможные ребра, называются полными графами. (рис.4)

Количество рёбер, выходящих из вершины графа, называется степенью вершины . Вершина графа, имеющая нечётную степень, называется нечетной , а чётную степень – чётной .

Если степени всех вершин графа равны, то граф называется однородным . Таким образом, любой полный граф - однородный.

На рисунке 5 изображен граф с пятью вершинами. Степень вершины А обозначим Ст.А.

На рисунке 5: Ст.А = 1, Ст.Б = 2, Ст.В = 3, Ст.Г= 2, Ст.Д= 0.

рис.5

3. Некоторые задачи теории графов.

Эйлеров путь - путь в графе, проходящий через каждое ребро ровно один раз.

Граф, который можно нарисовать, не отрывая карандаша от бумаги, называется эйлеровым. (рис.6) Такими графы названы в честь учёного Леонарда Эйлера.

рис.6 (эйлеровы графы)

Закономерность 1 .

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 2.

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 3 .

Граф, имеющий более двух нечетных вершин, невозможно начертить «одним росчерком».

Фигура (граф), которую можно начертить, не отрывая карандаш от бумаги, называется уникурсальной .

Алгоритм решения

Из предыдущих рассуждений мы получаем общий прием решения каждой подобной задачи о мостах:

преобразовать рисунок в граф (определить его вершины и рёбра);

определить степень каждой вершины;

сделать выводы:

а) заданный обход возможен, если

Все вершины чётные (его можно начать с любой вершины);

Две вершины нечётные (его нужно начать с одной из нечётных вершин);

б) заданный обход невозможен, если нечётных вершин больше двух;

указать начало и конец пути.

Я, изучив эти выводы, решил проверить их на примерах задач из раздела теории графов.

3.1. Решение задач о вычерчивании фигур одним росчерком

Задача №1 (О кенигсбергских мостах).

Четыре образовавшихся участка суши (правый и левый берег и два острова) соединяло семь мостов так, как это показано на рисунке. Горожане пытались составить маршрут, чтобы он проходил по каждому мосту ровно один раз.

Решение.

Эту задачу решил Леонард Эйлер. Он построил следующий граф и получил, что все четыре вершины нечетные, то есть нельзя пройти по всем мостам один раз и закончить путь там, где он был начат.

Задача №2.

Можно ли нарисовать графы, изображенные на рисунках, не отрывая карандаш от бумаги и проводя каждое ребро ровно один раз?

Решение:

Можно, т. к. только 2 нечетные вершины.

Нельзя, т. к. 4 нечетные вершины.

Задача №3.

Говорят, что Магомет вместо подписи (он был неграмотен) описывал одним росчерком состоящий из двух рогов луны знак, представленный на рисунке. Возможно ли это?

Решение. Да, потому что в данном случае мы имеем дело с вершинами четного порядка.

Задача №4. (Муха в банке).

Муха забралась в банку из-под сахара. Банка имеет форму куба. Сможет ли муха последовательно обойти все 12 ребер куба, не проходя дважды по одному ребру? Подпрыгивать и перелетать с места на место не разрешается.

Решение.

Ребра и вершины образуют граф, все 8 вершин которого имеют 3 степень, и, следовательно, требуемый обход невозможен.

Задача №5. (Путь Печкина)

Решение. Нечётных вершин в условии задачи две – почта и дом, поэтому начинаться и заканчиваться маршрут может только в этих узлах. Почтальон Печкин начинает разнос писем с почты, поэтому его маршрут может заканчиваться в доме 5, там и живёт дядя Фёдор. Например, маршрут может быть таким: почта-1-3-2-1-7-почта-3-4-5-7-6-5.

1. 1. Задачи с лабиринтами

Кроме задач вида «одним росчерком» полученным способом можно решать задачи с лабиринтом.

Происхождение задач о лабиринтах относится к глубокой древности и теряется во мраке времен. Слово «лабиринт» (греческое) означает «ходы в подземельях». Решению задачи о лабиринтах предпосылаются исторические справки – чтобы показать интерес к этой задаче и дать наглядное представление о существовавших и существующих лабиринтах.

Задача о прохождении лабиринта приобретает практический интерес, поскольку устройство линий электропередач, канализации, сетей дорог, каналов и т.д. – все это более или менее сложные лабиринты. Начало решению вопроса о существовании безвыходных лабиринтов положено Эйлером.

Нарисовав соответствующий лабиринту граф, используют способ обхода всех ребер для нахождения выхода.

Решение (т.е. маршрут, ведущий к цели) каждого лабиринта может быть найдено одним их трех сравнительно простых методов.

Первый метод – МЕТОД ПРОБ И ОШИБОК. Выбирайте любой путь, а если он заведет вас в тупик, то возвращайтесь назад и начинайте все сначала.

Второй метод – МЕТОД ЗАЧЕРКИВАНИЯ ТУПИКОВ. Начнем последовательно зачеркивать тупики, т.е. маршруты, не имеющие ответвлений и заканчивающиеся перегородкой. Незачеркнутая часть коридоров будет выходом или маршрутом от входа к выходу или к центру.

Третий метод – ПРАВИЛО ОДНОЙ РУКИ. Оно состоит в том, что по лабиринту надо двигаться, не отрывая одной руки (правой или левой) от стены.

Рассмотрим задачу общего вида:

М
ожно ли обойти все данные комнаты, пройдя через каждую дверь ровно один раз и выйти на улицу через комнату 1 или 10? С какой комнаты надо начинать?

Решение:

Аналогично рассуждая, можно решать любые задачи с лабиринтами, входами и выходами, подземельями и т.п.

3.3 Логические задачи

Задача №1.

Аркадий, Борис. Владимир, Григорий и Дмитрий при встрече обменялись рукопожатиями (каждый пожал руку каждому по одному разу). Сколько всего рукопожатий было сделано?

Решение:

Пусть каждому из пяти молодых людей соответствует определенная точка на плоскости, названная первой буквой его имени, а производимому рукопожатию - отрезок или часть кривой, соединяющая конкретные точки - имена.

Задача №2.

В
деревне 10 домов, и из каждого выходит по 7 тропинок, идущих к другим домам. Сколько всего тропинок приходит между домами?

Решение.

Пусть дома- вершины графа, тропинки- рёбра. По условию из каждого дома (вершины) выходит 7 тропинок (рёбер), тогда степень каждой вершины 7, сумма степеней вершин 7×10=70, а число рёбер 70: 2= 35. Таким образом, между домами проходит 35 тропинок.

Ответ. 35 тропинок

Задача №3.

В одном дворе живут четыре друга. Вадим и шофер старше Сергея, Николай и слесарь занимаются боксом, электрик-младший из друзей.

По вечерам Андрей и токарь играют в домино против Сергея и электрика.

Определите профессию каждого из друзей.

Решение.

Составим граф из 4 друзей и 4 профессий. Пунктирными линиями отметим невозможные связи, а сплошной - соответствие имени и профессии. Если от каждой вершины выходить 3 пунктирных линии, то четвертая линия должна быть сплошной.

В С Н А

Ш С Т Э

Задача №4.

В небольшом городке живут пять друзей: Иванов, Петренко, Сидорчук, Гришин и Капустин. Профессии у них разные: один из них маляр, другой- мельник, третий- плотник, четвертый-почтальон, а пятый- парикмахер.

Петренко и Гришин никогда не держали в руках малярной кисти.

Иванов и Гришин собираются посетить мельницу, на которой работает их товарищ. Петренко и Капустин живут в одном доме с почтальоном.

Сидорчук был недавно в ЗАГСе одним из свидетелей, когда Петренко и дочь парикмахера сочетались законным браком. Иванов и Петренко каждое воскресенье играют в городки с плотником и маляром.

Гришин и Капустин по субботам обязательно встречаются в парикмахерской, где работает их друг. Почтальон предпочитает бриться сам. Кто есть кто?

Решение.

Иванов Петренко Сидорчук Гришин Капустин

маляр мельник плотник почтальон парикмахер

4.Применение теории графов в различных сферах деятельности.

Ч

ем больше я изучал теорию графов, тем больше поражалась разнообразию применения этой теории.

Т
ипичными графами на картах города являются схемы движения городского транспорта, изображения железных дорог, схемы авиалиний, которые часто вывешивается в аэропортах. Графом является и система улиц города. Его вершины – площади и перекрестки, а ребра – улицы.Графы есть и на картах звездного неба.

С помощью графов часто упрощается решение задач, сформулированных в различных областях знаний: в автоматике, электронике, физике, химии. Помогают графы в решении математических и экономических задач.

Теория графов сейчас одна из самых развиваемых частей математики, так как современная жизнь требует появление новых профессий. Одна из них – специалист по логистике . (Приложение 3.) Менеджер по логистике занимается доставкой товаров, грузов, планирует транспортные маршруты, рассчитывает стоимость перевозок, организует хранение товаров, грузов и т.д. Одна из главных задач специалиста по логистике - анализ ситуации, поэтому он должен уметь хорошо считать, владеть теорией графов.

Инженер чертит схемы электрических цепей.

Химик рисует структурные формулы, чтобы показать, как в сложной молекуле с помощью валентных связей соединяются друг с другом атомы.

Историк прослеживает родословные связи по генеалогическому дереву.

Военачальник наносит на карту сеть коммуникаций, по которым из тыла к передовым частям доставляется подкрепление.

Социолог по сложнейшей диаграмме показывает, как подчиняются друг другу различные отделы одной огромной корпораций.

Графы применяются в различных отраслях науки. В последние десятилетия теория графов находит все новые области применения (физика, химия, генетика, психология, социология, экономика, лингвистика, электроника, теория планирования и управления). Именно запросы практики способствуют интенсивному развитию теории графов.

4.1.Графы и история .

Использует графы и история. Например, в генеалогическом дереве, вершины – члены рода, а связывающие их отрезки – отношения родственности.

Генеалогическое дерево А.С. Пушкина.

Моё генеалогическое дерево

4.1.Графы и химия .

Теория графов в химии применяется для решения различных теоретических и прикладных задач. Применение графов теории базируется на построении и анализе различных классов химических и химико-технологических графов, которые называются также топология, т.е. модели, учитывающие только характер связи вершин. Ребра и вершины этих графов отображают химические и химико-технологические понятия, явления, процессы или объекты и соответственно качественные и количественные взаимосвязи либо определенные отношения между ними.

При графическом изображении формул веществ указывается последовательность расположения атомов в молекуле с помощью, так называемых валентных штрихов (термин «валентный штрих» предложил в 1858 г. А. Купер для обозначения химических сил сцепления атомов), иначе называемых валентной чертой (каждая валентная черта, или валентный штрих, эквивалентны одной паре электронов в ковалентных соединениях или одному электрону, участвующему в образовании ионной связи).

Химические графы дают возможность прогнозировать химические превращения, пояснять сущность и систематизировать некоторые основные понятия химии.

Молекулярные графы, применяемые в стереохимии и структурной топологии, химии кластеров, полимеров и др., представляют собой неориентированные графы, отображающие строение молекул. Вершины и ребра этих графов отвечают соответственно атомам и химическим связям между ними.

М
олекулярные графы и деревья: а, б - мультиграфы этилена и формальдегида; в-молекулы изомеров пентана.

4.3.Графы и физика

Е

ще недавно одной из наиболее сложных и утомительных задач для радиолюбителей было конструирование печатных схем.

Печатной схемой называют пластинку из какого-либо диэлектрика (изолирующего материала), на которой в виде металлических полосок.

вытравлены дорожки. Пересекаться дорожки могут только в определенных точках, куда устанавливаются необходимые элементы, их пересечение в других местах вызовет замыкание электрической цепи.

В ходе решения этой задачи необходимо вычертить плоский граф, с вершинами в указанных точках.

Изучая этот материал, я узнала области применения теории графов и сделала вывод, что этот раздел математики является одним из важнейших, который используется в нашей повседневной жизни часто незаметно для нас.

III Заключение.

Чтобы найти ответ на интересующую меня задачу, мне пришлось познакомиться с новым разделом математики «Теорией графов», который не изучается в школьном курсе, но облегчает решение многих задач, я узнал много нового, понял, что математика интересна, но и трудна.

Изучая этот материал, я узнал области применения теории графов и сделал вывод, что этот раздел математики является одним из важнейших, который используется в нашей повседневной жизни часто незаметно для нас.

Графы – это замечательные математические объекты, с помощью, которых можно решать математические, логические и экономические задачи. 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. Также можно решать различные головоломки и упрощать условия задач по физике, химии, электронике, автоматике. Графы используются при составлении карт и генеалогических древ.

IV . Литература.

1. Альхова З.Н., Макеева А.В. Внеклассная работа по математике. – Саратов: «Лицей», 2002 г.

2. Перельман Я.И. Одним росчерком. – Ленинград, 1940

3. Башмаков М. И. Математика в кармане «Кенгуру». - М.: Дрофа, 2010г.

4. Игнатьев Е. И. Математическая смекалка. - М.: «Омега», 1994г.

5. Подготовка школьников к олимпиадам по математике. 5-6 классы./сост. Григорьева Г.И. – М. : «Глобус», 2009 г.

Приложение 1.

Леонард Эйлер и мосты Кёнигсберга

Леонард Эйлер родился в швейцарском городе Базеле, где в 15 лет окончил университет, а в 17 лет получил степень магистра. Во время обучения в университете Эйлер брал уроки у одного из самых известных математиков того времени Иоганна Бернулли и подружился с его сыновьями Даниилом и Николаем, которые были приглашены для работы в только что созданную Петербургскую академию наук. Через год по их рекомендации туда же был приглашен и двадцатилетний Эйлер. Этот выбор оказался одним из самых удачных для России. Нет такой области математики, где Эйлер не сказал своего слова. Работал он сутками напролет в любой обстановке, опубликовал примерно 850 работ. Он легко обнаруживал новые задачи и методы их решения. Даже историю возникновения теории графов можно проследить по переписке великого ученого.

Вот перевод латинского текста, который взят из письма Эйлера к итальянскому математику и инженеру Маринони, отправленного из Петербурга 13 марта 1736 года:

"Некогда мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто семь мостов. Спрашивается, может ли кто-нибудь непрерывно обойти их, проходя только однажды через каждый мост. И тут же мне было сообщено, что никто еще до сих пор не мог это проделать, но никто и не доказал, что это невозможно. Вопрос этот, хотя и банальный, показался мне, однако, достойным внимания тем, что для его решения недостаточны ни геометрия, ни алгебра, ни комбинаторное искусство... После долгих размышлений я нашел легкое правило, основанное на вполне убедительном доказательстве, с помощью которого можно во всех задачах такого рода тотчас же определить, может ли быть совершен такой обход через какое угодно число и как угодно расположенных мостов или не может".

В своём письме к Маринони Эйлер подробно описал ход своих рассуждений:

"Кенигсбергские же мосты расположены так, что их можно представить на рисунке, где A обозначает остров, а B, C и D – части континента, отделенные друг от друга рукавами реки. Семь мостов обозначены буквами a, b, c, d, e, f, g ".

Так можно ли обойти все Кенигсбергские мосты, проходя только один раз через каждый из этих мостов?

Простой путь решения задачи, казалось бы, такой: сделать все возможные пробы таких переходов, т. е. перечислить все возможные пути, и затем рассмотреть, какой или какие из них удовлетворяют условиям вопроса. Но, очевидно, что даже в случае только семи мостов приходится делать слишком много таких проб. А при увеличении числа мостов такой способ решения практически совершенно немыслим. Да, кроме того, при одном и том же числе мостов задача изменяется в зависимости еще от расположения этих мостов.

Поэтому, чтобы найти ответ, продолжим письмо Эйлера и посмотрим, какое же правило он нашел. Итак,

"Вопрос состоит в том, чтобы определить, можно ли обойти все эти семь мостов, проходя через каждый только однажды, или нельзя. Мое правило приводит к следующему решению этого вопроса. Прежде всего, нужно смотреть, сколько есть участков, разделенных водой, – таких, у которых нет другого перехода с одного на другой, кроме как через мост. В данном примере таких участков четыре – A, B, C, D."

Ход решения задачи будем представлять в виде графа , где вершины – острова и берега, а ребра – мосты.

"Далее нужно различать, является ли число мостов, ведущих к этим отдельным участкам, четным или нечетным. Так, в нашем случае к участку A ведут пять мостов, а к остальным – по три моста".

То есть нам нужно определить степень каждой вершины (количество рёбер, сходящихся в вершине) и узнать, какие вершины четные , а какие нечетные . Подпишем степени вершин в кружочках. И посчитаем количество нечетных вершин. Нечетные вершины: А, B, C, D.

"Когда это определено, применяем следующее правило: если все вершины имеют четную степень, то тогда обход, о котором идет речь, возможен, и начать этот обход можно с любого участка. Если же из этих вершин две нечетные, то и тогда можно совершить переход, как это предписано, но только начало обхода непременно должно быть взято в одной из этих двух вершин, а конец обхода непременно должен быть во второй нечетной вершине. Если, наконец, больше двух нечетных вершин, то тогда такое движение вообще невозможно...".

Приложение 2

Разные задачи на вычерчивание одним росчерком

Приложение 3

Профессия логист

О
писание профессии:

Это специалист, который координирует движение товаров на пути от производства до точек реализации.

Название профессии происходит от английского слова logistics - снабжение, материально-техническое обеспечение.

В современных условиях любой товар, прежде чем попасть к потребителю, преодолевает довольно сложный путь, включающий много звеньев (особенно если речь идет о поставках из-за рубежа).

Цепочка может выглядеть, например, так: закупка товаров у иностранного поставщика - их страхование - перевозка - растаможивание (прохождение таможенного контроля, уплата пошлин) - складирование - упаковка и/или снабжение русскоязычными этикетками и документацией - распределение по оптовым торговым базам - продажа в розничной сети.

Чтобы товар своевременно доходил до потребителя и приносил прибыль, все звенья этой цепочки должны работать как хорошо отлаженный единый механизм. А когда количество наименований поставляемых товаров измеряется десятками тысяч (например, в сети супермаркетов), отладить такие цепочки представляет собой очень сложную задачу, и любой сбой чреват убытками.

Например, завезли слишком много какого-то товара - он попусту загромождает складские помещения и может прийти в негодность. А какой-нибудь другой товар, который следует привезти к вполне определенному сроку (например, елки к Новому году или цветы к 8 Марта), из-за неправильно оформленных сопроводительных документов застрянет на таможенном складе и поступит в продажу слишком поздно, когда уже окажется никому не нужен.

Задача логиста - исключить подобные казусы и организовать систему поставки и распределения товаров таким образом, чтобы все поставлялось куда требуется, в нужном количестве и в срок, и при этом свести к минимуму накладные расходы, связанные с транспортировкой и хранением. Соответственно такие специалисты нужны во всех организациях, деятельность которых связана с поставками товаров: в специализированных фирмах, оказывающих услуги в области транспортировки товаров, в крупных торговых сетях, на тех производствах, куда поставляется большое количество сырья и комплектующих, и т. д.

Содержание работы логистика весьма разнообразно: он анализирует информацию и на ее основе продумывает пути и сроки поставки товаров, рассчитывает стоимость транспортировки, координирует работу перевозчиков, взаимодействует с поставщиками, работниками складов, таможенными службами и т. д.

Цель исследования :

Рассмотреть возможности применения графового аппарата для решения логических и комбинаторных задач.

Задачи исследования:

рассмотреть решение задач при помощи графов;

научиться переводить задачи на язык графов;

сравнить традиционные методы решения задач с методами теории графов.

Актуальность исследования:

Графы используют во всех отраслях нашей жизни. Знание основ теории графов необходимо в различных областях, связанных с управлением производством, бизнесом (например, сетевой график строительства, графики доставки почты), построении путей транспортировки и доставки, решении задач. Графы используют в связи с развитием теории вероятностей, математической логики и информационных технологий.

Гипотеза:

Использование теории графов делает решение многих логических и комбинаторных задач будет менее трудоемким.

Содержание:

Введение. Понятие графа.

Основные свойства графа.

Основные понятия теории графов и их доказательства.

Избранные задачи.

Хроматическое число графа.

Литература.

Введение. Понятие графа.

Любой из нас, конечно, прав,

Найдя без проволочек,

Что он…обыкновенный граф

Из палочек и точек.

Теория графов в настоящее время является интенсивно развивающимся разделом дискретной математики. Графы и связанные с ним методы исследований органически пронизывают на разных уровнях едва ли не всю современную математику. Язык графов прост, понятен и нагляден. Графовые задачи обладают рядом достоинств, позволяющих использовать их для развития соображения, улучшения логического мышления, применения смекалки. Графы – замечательные математические объекты, с их помощью можно решать очень много различных, внешне не похожих друг на друга задач.

В математике существует целый раздел – теория графов, который изучает графы, их свойства и применение. 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. Выбранные точки графа называются его вершинами, а соединяющие их линии – ребрами. Один из графов хорошо знаком москвичам и гостям столицы – это схема московского метрополитена: вершины – конечные станции и станции пересадок, рёбра – пути, соединяющие эти станции. Генеалогическое древо графа Л. Н. Толстого – ещё один граф. Здесь вершины – предки писателя, а рёбра показывают родственные связи между ними.

рис.1 рис. 2

Слово «граф» в математике означает картинку, где нарисовано несколько точек, некоторые из которых соединены линиями.При изображении графа не имеет значения расположение вершин на плоскости, кривизна и длина рёбер (рис.3).Вершины графов обозначаются буквами или натуральными числами. Ребра графа – пары чисел.

рис. 3

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. Свойства графов, как и их изображения, не будут зависеть и не изменятся 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.

Что же связывает топологию и комбинаторику? 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 линий. А удобство формулировок комбинаторных задач в терминах графов привело к тому, что теория графов стала одним из мощнейших аппаратов комбинаторики.

Но кто придумал эти графы? Где они применяются? Все ли они одинаковые или есть разновидности?

История возникновения теории графов. Классическая задача о кёнигсбергских мостах.

Основы теории графов как математической науки заложил в 1736 году Леонард Эйлер, рассматривая задачу о кёнигсбергских мостах. «Мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кёнигсберге и окружённом рекой, через которую перекинуто 7 мостов. Спрашивается, может ли кто – нибудь непрерывно обойти их, проходя только однажды через каждый мост…» (Из письма Л. Эйлера итальянскому математику и инженеру Маринони от 13 марта 1736 года)

Бывший Кенигсберг (ныне Калининград) расположен на реке Прегель. В пределах города река омывает два острова. С берегов на острова были перекинуты мосты. Старые мосты не сохранились, но осталась карта города, где они изображены (рис.4). Кенигсбергцы предлагали приезжим следующую задачу: пройти по всем мостам и вернуться в начальный пункт, причём на каждом мосту следовало побывать только один раз. Прогуляться по городским мостам предложили и Эйлеру. После безуспешной попытки совершить нужный обход, он начертил упрощённую схему мостов. Получился граф, вершины которого – части города, разделённые рекой, а рёбра – мосты (рис.5).

рис. 4 рис. 5

Прежде, чем обосновать возможность требуемого маршрута, Эйлер рассмотрел и другие, более сложные карты. В итоге он доказал общее утверждение для того чтобы можно было обойти все рёбра графа по одному разу и вернуться в исходную вершину, необходимо и достаточно выполнение следующих двух условий:

из любой вершины графа должен существовать путь по его рёбрам в любую другую вершину (графы, удовлетворяющие этому требованию, называются связными);

из каждой вершины должно выходить чётное количество рёбер.

«Следовательно, надо держаться следующего правила: если на каком-либо рисунке число мостов, ведущих в некоторую область, будет нечетным, тогда желаемый переход через все мосты одновременно не может быть осуществлен иначе, как если переход или начинается, или заканчивается в этой области. А если число мостов четное, отсюда не может возникнуть никакого затруднения, так как ни начало, ни конец перехода при этом не фиксируются. Отсюда следует такое общее правило: если будет больше чем две области, к которым ведет нечетное количество мостов, тогда желательный переход вообще не может быть совершен. Ибо представляется совершенно невозможным, чтобы переход и начинался, и заканчивался в какой-нибудь одной из этих областей. А если будут только две области такого рода (так как не могут быть даны одна область этого рода или нечетное число областей), тогда может быть совершен переход через все мосты, но с таким условием, чтобы начало перехода было в одной, а конец в другой из этих областей. Когда в предложенной фигуре А и В есть области, к которым ведет нечетное число мостов, а число мостов, ведущих к С, является четным, то я считаю, что переход или построение мостов может иметь место, если переход начинается или из А, или из В, а если же кто-нибудь пожелает начать переход из С, то он никогда не сможет достигнуть цели. В расположении кенигсбергских мостов я имею четыре области А, В, С, D, взаимно отделенные друг от друга водой, к каждой из которых ведет нечетное число мостов (рис.6).

рис. 6

Следовательно, ты можешь убедиться, славнейший муж, что это решение по своему характеру, по-видимому, имеет мало отношения к математике, и мне непонятно, почему следует скорее от математика ожидать этого решения, нежели от какого-нибудь другого человека, ибо это решение подкрепляется одним только рассуждением и нет необходимости привлекать для нахождения этого решения какие-либо законы, свойственные математике. Итак, я не знаю, каким образом получается, что вопросы, имеющие совсем мало отношения к математике, скорее разрешаются математиками, чем другими [учеными]. Между тем ты, славнейший муж, определяешь место этого вопроса в геометрии положения, и что касается этой новой науки, то, признаюсь, мне неизвестно, какого рода относящиеся сюда задачи желательны были Лейбницу и Вольфу. Итак, я прошу тебя, если ты считаешь, что я способен нечто создать в этой новой науке, чтобы ты соблаговолил мне прислать несколько определенных, относящихся к ней задач...»

Основные свойства графа.

Решая задачу про Кенигсбергские мосты, Эйлер установил следующие свойства графа:

Если все вершины графа чётные, то можно одним росчерком (т.е. не отрывая карандаша от бумаги и не проводя дважды по одной и той же линии) начертить граф.

Граф с двумя нечётными вершинами тоже можно начертить одним росчерком. Движение нужно начинать от любой нечётной вершины, а заканчивать на другой нечётной вершине.

Граф с более чем двумя нечётными вершинами, невозможно начертить одним росчерком.

Понятие эйлерова и гамильтонова циклов.

Замкнутый путь, проходящий по одному разу по всем рёбрам, до сих пор называют эйлеровым циклом.

Если отбросить условие возвращения в исходную вершину, то можно допустить наличие двух вершин, из которых выходит нечётное количество рёбер. В этом случае начинать движение следует из одной из этих вершин, а заканчивать в другой.

В задаче о Кенигсбергских мостах все четыре вершины соответствующего графа – нечётные, значит, нельзя пройти по всем мостам ровно один раз и закончить путь там же.

Граф получить на листе бумаги очень просто. Надо взять карандаш и нарисовать на этом листке, не отрывая карандаша от бумаги и не проводя дважды по одной линии, что угодно. Отметить точками «перекрёстки» и начальную и конечную точки, если они не совпадают с «перекрёстками». Получившуюся фигуру можно назвать графом. Если начальная и конечная точки рисунка совпадают, то все вершины окажутся чётными, если же начальная и конечная точки не совпадают, то они окажутся нечётными вершинами, а все остальные будут чётными. Решение многих логических задач с помощью графов вполне доступно уже младшим школьникам. Для этого им достаточно иметь лишь интуитивные представления о графах и самых очевидных их свойствах. Во многих детских головоломках можно встретить такие задания: начертить фигуру, не отрывая карандаша от бумаги и не проводя дважды по одной линии.

рис. 7 а) б)

Рисунок 7 (а) имеет две вершины (нижние), из которых выходит нечётное количество рёбер. Поэтому рисунок нужно начинать с одной из них, а в другой заканчивать. В рисунке 7(б) существует эйлеров цикл, так как из шести вершин графа выходит чётное число рёбер.

В 1859 г. сэр Вильям Гамильтон, знаменитый ирландский математик, давший миру теорию комплексного числа и кватерниона, предложил необычную детскую головоломку, в которой предлагалось совершить «кругосветное путешествие» по 20 городам, расположенным в различных частях земного шара (рис. 8). В каждую вершину деревянного додекаэдра, помеченную названием одного из известных городов (Брюссель, Дели, Франкфурт и т. д.), был вбит гвоздик и к одному из них была привязана нить.Требовалось соединить вершины додекаэдра этой нитью так, чтобы она проходила вдоль его ребер, обвивая каждый гвоздик ровно один раз, и чтобы полученный в результате ниточный маршрут был замкнутым (циклом).Каждый город соединялся дорогами с тремя соседними так, что дорожная сеть образовывала 30 ребер додекаэдра, в вершинах которого находились города a, b ... t. Обязательным условием было требование посетить каждый город, за исключением первого, лишь один раз.

рис. 8 рис. 9

Если путешествие начать из города a, то последними должны быть города b, e или h, иначе мы не сможем вернуться в первоначальный пункт a. Непосредственное исчисление показывает, что число таких замкнутых маршрутов равно 60.Можно потребовать посещения всех городов строго по одному разу, включая и первый, т.е. допускается окончание путешествия в любом городе (например, предполагается, что в начальный пункт можно будет вернуться самолетом). Тогда общее число цепных маршрутов увеличится до 162 (рис.9).

В этом же, 1859 году Гамильтон предложил владельцу фабрики игрушек в Дублине запустить её в производство. Владелец фабрики принял предложение Гамильтона и выплатил ему 25 гиней. Игрушка напоминала «кубик Рубик», ещё не так давно пользующегося огромной популярностью, и оставила заметный след в математике. Замкнутый путь по рёбрам графа, проходящий по одному разу через все вершины, называется гамильтоновым циклом. В отличие от эйлерова цикла условия существования на произвольном графе гамильтонова цикла до сих пор не установлены.

Понятие полного графа. Свойства плоских графов.

А всегда ли граф можно изобразить на плоскости так, чтобы его рёбра не пересекались? Оказывается, нет. Графы, для которых это возможно, называются плоскими. Графы, в которых не построены все возможные ребра, называются неполными графами, а тот граф, в котором соединены все вершины всеми возможными способами, называется полным графом.

рис. 10 рис. 11

На рисунке 10 изображён граф с пятью вершинами, который не укладывается на плоскость без пересечения рёбер. Каждые две вершины этого графа соединены ребром. Это полный граф. На рисунке 11 – граф с шестью вершинами и девятью рёбрами. Он носит название «домики – колодцы». Оно произошло от старинной задачи – головоломки. В трёх избушках жили трое друзей. Около их домиков находились три колодца: один с солёной водой, второй – со сладкой, третий – с пресной. Но однажды друзья поссорились, да так, что и видеть друг друга не хотели. И решили они по- новому проложить тропинки от домов к колодцам, чтобы их пути не пересекались. Как это сделать? На рисунке 12 проведено восемь из девяти тропинок, но провести девятую уже не удаётся.

рис.12

Польский математик Казимеж Куратовский установил, что никаких принципиально иных не плоских графов не существует. Точнее, если граф «не укладывается» на плоскость, то в нём «сидит» по крайней мере один из этих двух графов (полный граф с пятью вершинами или «домики – колодцы»), быть может с дополнительными вершинами на рёбрах.

Льюис Кэрролл, автор книги «Алиса в стране чудес», любил давать своим знакомым следующую головоломку. Он просил обвести фигуру, изображённую на рисунке, не отрывая карандаша от бумаги и не проводя дважды по одной линии. Подсчитав чётность вершин, убеждаемся, что эта задача легко решается, причём начинать обход можно с любой вершины, так как они все чётные. Однако, он усложнял задачу тем, что требовал, чтобы при обводке линии не пересекались. Справиться с этой проблемой можно следующим способом. Раскрасим фигуру так, чтобы её граничащие части оказались разного цвета. Затем разъединим пересекающиеся линии таким образом, чтобы закрашенная часть представляла из себя единый кусок. Теперь остаётся обвести по краю одним росчерком закрашенную область – это и будет искомая линия (рис. 13).

рис. 13

Основные понятия теории графов и их доказательства .

Плоские графы обладают многими интересными свойствами. Так, Эйлер обнаружил простую связь между количеством вершин (B), количеством рёбер (Р),количеством частей (Г) на которые граф разделяет плоскость

В – P + Г = 2.

1. Определение . Число рёбер, выходящих из одной вершины, называют степенью этой вершины.

Лемма1. Число рёбер в графе ровно в 2 раза меньше, чем сумма степеней вершин.

Доказательство. Любое ребро графа связывают 2 вершины. Значит, если будем складывать число степеней всех вершин графа, то получим удвоенное число рёбер, т.к. каждое ребро было подсчитано дважды.

Лемма2 . Сумма степеней вершин графа чётна .

Доказательство. По лемме1 число рёбер в графе в 2 раза меньше суммы степеней вершин, значит сумма степеней вершин чётна (делится на 2).

2. Определение . Если степень вершины чётная, то вершина называется чётной, если степень не чётная, то вершина нечётная.

Лемма3 . Число нечётных вершин графа чётно.

Доказательство. Если в графе есть n чётных и k нечётных вершин, то сумма степеней чётных вершин чётна. Сумма степеней нечётных вершин нечётна, если количество этих вершин нечётна. Но тогда общее число степеней вершин тоже нечётна, чего не может быть. Значит, k чётно.

Лемма 4. Если полный граф имеет n вершин, то количество ребер будет равно

Доказательство. В полном графе с n вершинами из каждой вершины выходит по n -1 рёбер. Значит, сумма степеней вершин равна n ( n -1). Число рёбер в 2 раза меньше, то есть .

Избранные задачи.

Зная свойства графа, полученные Эйлером, теперь легко можно решить такие задачи:

Задача 1. Из трех человек, стоящих рядом, один всегда говорит правду (правдолюб), другой всегда лжет (лжец), а третий, смотря по обстоятельствам, говорит либо правду, либо ложь (дипломат). У стоящего слева спросили: "Кто стоит рядом с тобой?". Он ответил: "Правдолюб". Стоящему в центре задали вопрос: "Кто ты?", и он ответил: "Я дипломат". Когда у стоящего справа спросили: "Кто стоит рядом с тобой?", он сказал: "Лжец". Кто где стоял?

Решение: Если в данной задаче ребро графа будет соответствовать месту,занимаемому тем или иным человеком, то нам могут представиться следующие возможности.

Рассмотрим первую возможность. Если "правдолюб" стоит слева, то рядом с ним, судя по его ответу, также стоит "правдолюб". У нас же стоит "лжец". Следовательно, эта расстановка не удовлетворяет условию задачи. Рассмотрев таким образом все остальные возможности, мы придем к выводу, что позиция "дипломат", "лжец", "правдолюб" удовлетворяет задаче. Действительно, если "правдолюб" стоит справа, то, по его ответу, рядом с ним стоит "лжец", что выполняется. Стоящий в центре заявляет, что он "дипломат", и, следовательно, лжет (что возможно из условия), а стоящий справа также лжет. Таким образом, все условия задачи выполнены.

Задача 2. В 10-значном числе каждые две подряд идущие цифры образуют двузначное число, которое делится на 13. Докажите, что среди этих цифр нет цифры 8.

Решение. Существует 7 двузначных чисел, которые делятся на 13. Обозначим эти числа точками и применим определение графа. По условию каждые 2 подряд идущие цифры образуют двузначное число, которые делятся на 13, значит цифры, из которых состоит 10-значное число, повторяются. Соединим вершины графа рёбрами так, чтобы цифры, входящие в этот граф повторялись.

13 65

91 39 52

Из построенных графов видно, что среди цифр 10-значного числа цифры 8 быть не может.

Задача 3. В деревне 10 домов, и из каждого выходит по 7 тропинок, идущих к другим домам. Сколько всего тропинок приходит между домами?

Решение. Пусть дома - вершины графа, тропинки - рёбра. По условию из каждого дома (вершины) выходит 7 тропинок (рёбер), тогда степень каждой вершины 7, сумма степеней вершин 7×10=70, а число рёбер 70: 2= 35. Таким образом между домами проходит 35 тропинок.

Задача 4: Между 9 планетами Солнечной системы введено космическое сообщение. Ракеты летают по следующим маршрутам: Земля-Меркурий, Плутон-Венера, Земля-Плутон, Плутон-Меркурий, Меркурий-Венера, Уран-Нептун, Нептун-Сатурн, Сатурн-Юпитер, Юпитер-Марс и Марс-Уран. Можно ли добраться с Земли до Марса?

Решение. Нарисуем схему: планетам будут соответствовать точки, а соединяющим их маршрутам - непересекающиеся между собой линии.

Сделав набросок рисунка маршрутов, мы нарисовали граф, соответствующий условию задачи. Видно, что все планеты Солнечной системы разделились на две не связанных между собой группы. Земля принадлежит одной группе, а Марс - второй. Долететь с Земли до Марса нельзя.

Классическая «задача коммивояжёра». «Жадные» алгоритмы.

Одна из классических задач теории графов называется «задачей коммивояжёра» или «задачей о бродячем торговце». Представим себе торгового агента, который должен побывать в нескольких городах и вернуться обратно. Известно, какие дороги соединяют эти города и каковы расстояния между этими городами по данным дорогам. Нужно выбрать самый короткий маршрут. Это же не «игрушечная» задача. Например, водитель почтового автомобиля, вынимающий письма из почтовых ящиков, очень хотел бы знать кратчайший маршрут, как и водитель грузовика, развозящий товары по киоскам. А решить эту задачу довольно – таки сложно, потому что число вершин графа очень велико. А вот другая задача, в некотором смысле противоположная задаче коммивояжёра. Предполагается проложить железную дорогу, которая соединит несколько крупных городов. Для любой пары городов известна стоимость прокладки пути между ними. Требуется найти наиболее дешёвый вариант строительства. На самом деле алгоритм нахождения оптимального варианта строительства довольно прост. Продемонстрируем его на примере дороги, соединяющей пять городов А, В, С, D и Е. Стоимость прокладки пути между каждой парой городов указана в таблице (рис.14), а расположение городов на карте (рис.15)

1,5

2,5

1,5

1,2

0,8

1,2

1,1

0,9

1,1

2,7

2,5 5

ис.е, а расположеие городов аждой паройдов А, В С тагрузовика, разво

0,8

0,9

2,7

В

А А

D D

Е

С

рис.14 рис. 15

Сначала строим ту дорогу, которая имеет наименьшую стоимость. Это маршрут В →Е. Теперь найдём самую дешёвую линию, соединяющую В или Е с каким-нибудь из городов. Это путь между Е и С. Включаем его в схему. Далее поступаем аналогично – ищем самый дешёвый из путей, соединяющих один из городов В, С, Е с одним из оставшихся – А или D . Это дорога между С и А. Осталось подключить к железнодорожной сети город D .

Дешевле всего соединить его с С. Получим сеть железнодорожных путей (рис. 16).

рис. 16

Этот алгоритм нахождения оптимального варианта строительства железной дороги относится к категории «жадных»: на каждом шаге решения этой задачи мы выбираем самое дешёвое продолжение пути. Для данной задачи он подходит как нельзя лучше. Но в задаче о коммивояжёре «жадный» алгоритм не даст оптимального решения. Если с самого начала выбирать самые «дешёвые» элементы, т.е. кратчайшие расстояния, то не исключено, что в конце концов придётся воспользоваться очень «дорогими» - длинными, и общая длина маршрута окажется существенно выше оптимальной.

Итак, для решения некоторых задач можно использовать метод или алгоритм, который называется «жадным». «Жадный» алгоритм – алгоритм нахождения наикратчайшего расстояния путём выбора самого короткого, ещё не выбранного ребра, при условии, что оно не образует цикла с уже выбранными рёбрами. «Жадным» этот алгоритм назван потому, что на последних шагах приходится жестоко расплачиваться за жадность. Посмотрим, как поведет себя при решении задачи о коммивояжёре «жадный» алгоритм. Здесь он превратится в стратегию «иди в ближайший (в который еще не входил) город». Жадный алгоритм, очевидно, бессилен в этой задаче. Рассмотрим для примера сеть на рисунке 17, представляющую узкий ромб. Пусть коммивояжер стартует из города 1. Алгоритм «иди в ближайший город» выведет его в город 2, затем 3, затем 4; на последнем шаге придется платить за жадность, возвращаясь по длинной диагонали ромба. В результате получится не кратчайший, а длиннейший тур. Однако в некоторых ситуациях «жадный» алгоритм определяет-таки кратчайший путь.

2

4

1

4 3

3

рис. 17

Есть ещё один метод для решения подобных задач - метод полного перебора (иногда говорят Метод перебора, подразумевая при этом полный перебор - это не совсем правильно, так как перебор может быть и не полным), который заключается в том, что выполняется перебор всех возможных комбинаций точек (пунктов назначения). Как известно из математики, число таких перестановок равно n!, где n – количество точек. Так как в задаче коммивояжера исходный пункт обычно принимается одним и тем же (первая точка), то нам достаточно перебрать оставшиеся, т.е. количество перестановок будет равно (n–1)!. Этот алгоритм почти всегда дает точное решение задачи коммивояжера, однако продолжительность таких вычислений может занять непозволительно много времени. Известно, что при значениях n > 12, современный компьютер не смог бы решить задачу коммивояжера даже за все время существования вселенной. Существуют и другие алгоритмы для решения задачи коммивояжера, которые значительно точнее «жадного» алгоритма и значительно быстрее метода полного перебора. Однако мы рассматриваем графы, а эти методы не связаны с теорией графов.

Хроматическое число графа.

Задача о раскраске географической карты

Дана географическая карта, на которой изображены страны, разделяемые границами. Требуется раскрасить карту так, чтобы страны, имеющие общие участки границы, были окрашены в разные цвета, и чтобы при этом было использовано минимальное количество цветов.

По данной карте построим граф следующим образом. Поставим в соответствие странам карты вершины графа. Если какие-то две страны имеют общий участок границы, то соответствующие им вершины соединим ребром, в противном случае – нет.Легко видеть, что раскраске карты соответствует правильная раскраска вершин полученного графа, а минимальное количество необходимых красок равно хроматическому числу этого графа.

Хроматическим числом графа называется наименьшее количество красок, с помощью которых можно так раскрасить вершины графа, что любые две вершины, соединенные ребром, окрашиваются при этом в разные цвета. Долгое время математики не могли решить такую проблему: достаточно ли четырех красок, для того чтобы раскрасить произвольную географическую карту так, чтобы любые две страны, имеющие общую границу, были окрашены разными красками? Если изобразить страны точками – вершинами графа, соединив ребрами те вершины, для которых соответствующие им страны граничат (рис.18), то задача сведется к следующей: верно ли, что хроматическое число любого графа, расположенного на плоскости не больше четырех? Положительный ответ на этот вопрос был лишь недавно получен с помощью ЭВМ.

рис. 18

Игра «четыре краски»

Стивен Барр предложил логическую игру на бумаге для двух игроков, названную «Четыре краски». По словам Мартина Гарднера - «Я не знаю лучшего способа понять трудности, которые встречаются на пути решения проблемы четырёх красок, чем просто поиграть в эту любопытную игру»

Для этой игры нужны четыре цветных карандаша. Первый игрок начинает игру, рисуя произвольную пустую область. Второй игрок закрашивает её любым из четырёх цветов и в свою очередь рисует свою пустую область. Первый игрок закрашивает область второго игрока и добавляет новую область, и так далее - каждый игрок раскрашивает область соперника и добавляет свою. При этом области, имеющие общую границу, должны быть раскрашены в разные цвета. Проигрывает тот, кто на своём ходу вынужден будет взять пятую краску.

Комбинаторные и логические задачи.

В 1936 году немецкий математик Д. Кёниг впервые провёл исследование подобных схем и предложил называть такие схемы «графами» и систематически изучать их свойства. Итак, как отдельная математическая дисциплина теория графов была представлена лишь в 30 – е годы ХХ столетия в связи с тем, что в обиход вошли так называемые «большие системы», т.е. системы с большим числом объектов, связанных между собой разнообразными соотношениями: сети железных дорог и авиалиний, телефонные узлы на много тысяч абонентов, системы заводов – потребителей и предприятий – поставщиков, радиосхемы, большие молекулы и т.д. и т. п. Стало ясно, что разобраться в функционировании таких систем невозможно без изучения их конструкции, их структуры. Здесь и пригодилась теория графов. В середине XX века задачи теории графов стали возникать также и в чистой математике (в алгебре, топологии, теории множеств). Чтобы можно было применять теорию графов в столь разнообразных областях, она должна быть в высшей степени абстрактной и формализованной. Ныне она переживает эпоху бурного возрождения.Графы используются: 1) в теории планирования и управления, 2) в теории расписаний, 3) в социологии, 4) в математической лингвистике, 5) экономике, 6) биологии, 7) химии, 8) медицине, 9) в областях прикладной математики таких, как теория автоматов, электроника, 10) в решении вероятностных и комбинаторных задач и т.д. Наиболее близки к графам – топология и комбинаторика.

Комбинато́рика (Комбинаторный анализ) - раздел математики, изучающий дискретные объекты, множества (сочетания, перестановки, размещения и перечисления элементов) и отношения на них (например, частичного порядка). Комбинаторика связана со многими другими областями математики - алгеброй, геометрией, теорией вероятностей и имеет широкий спектр применения в различных областях знаний (например в генетике, информатике, статистической физике). Термин «комбинаторика» был введён в математический обиход Лейбницем, который в 1666 году опубликовал свой труд «Рассуждения о комбинаторном искусстве».Иногда под комбинаторикой понимают более обширный раздел дискретной математики, включающий, в частности, теорию графов.

Широкое развитие теория графов получила с 50-х гг. 20 в. в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной техники. И з современных математиков над графами работали - К. Берж, О. Оре, А. Зыков.

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.

Рассмотрим задачи, которые можно легко решить, начертив граф.

Задача №1. Андрей, Борис, Виктор и Григорий играли в шахматы. Каждый сыграл с каждым по одной партии. Сколько партий было сыграно?

Задача решается с помощью полного графа с четырьмя вершинами А, Б, В, Г, обозначенными по первым буквам имён каждого из мальчиков. В полном графе проводятся всевозможные рёбра. В данном случае отрезки-рёбра обозначают сыгранные шахматные партии. Из рисунка видно, что граф имеет 6 рёбер, значит, и партий сыграно 6 партий.

Ответ: 6 партий.

Задача №2. Андрей, Борис, Виктор и Григорий подарили на память друг другу свои фотографии. Причём каждый мальчик подарил каждому из своих друзей по одной фотографии. Сколько всего фотографий было подарено?

Решение найдётся легко, если начертить граф:

1 способ. С помощью стрелок на рёбрах полного графа показан процесс обмена фотографиями. Очевидно, что стрелок в 2 раза больше, чем рёбер, т.е. 12.

2 способ. Каждый из 4 мальчиков подарил друзьям 3 фотографии, следовательно, всего было подарено 3 4=12 фотографий.

Ответ: 12 фотографий.

Задача № 3. Известно, что у каждой из трех девочек фамилия начинается с той же буквы, что и имя. У Ани фамилия Анисимова. У Кати фамилия не Карева, а у Киры – не Краснова. Какая фамилия у каждой из девочек?

Решение:По условию задачи составим граф, у которого вершины – имена и фамилии девочек. Сплошная линия будет обозначать, что девочке соответствует данная фамилия, а пунктирная – что не соответствует. Из условия задачи видно, что у Ани фамилия Анисимова (соединяем сплошной линией две соответствующие точки). Из этого следует, что у Кати и у Киры фамилия не Анисимова. Так как Катя – не Анисимова и не Карева, значит она Краснова. Остается, что у Киры фамилия Карева. Ответ: Аня Анисимова, Катя Краснова, Кира Карева.

Граф - это совокупность объектов со связями между ними. Объекты представляются как вершины, или узлы графа (они обозначаются точками), а связи - как дуги, или рёбра. Если связь однонаправленная обозначается на схеме линиями со стрелками, если связь между объектами двусторонняя обозначается на схеме линиями без стрелок. Основное направление работы с комбинаторными задачами – это переход от осуществления случайного перебора вариантов к проведению системного перебора. Задачи данного вида нагляднее решать при помощи графа.

Многие логические задачи легче решать при помощи графов. Графы позволяют наглядно представить условие задачи, а значит, значительно упростить её решение.

Задача № 4.Поступающий на физмат должен сдать три вступительных экзамена по десятибалльной системе. Сколькими способами он может сдать экзамены, чтобы быть принятым в университет, если проходной балл в тот год составил 28 баллов?

Решение. Для решения этой задачи, как и во многих других комбинаторных и вероятностных задачах, эффективным оказывается организация элементов анализируемого множества в виде дерева. От одной выделенной вершины проводятся ребра, соответствующие оценке на первом экзамене, а затем к их концам добавляются новые ребра, соответствующие возможным результатам второго экзамена, а затем и третьего.

Таким образом, для поступления на физмат можно сдать вступительные экзамены 10 различными способами.

Граф-дерево назван так за внешнее сходство с деревом. С помощью графа-дерева подсчет вариантов гораздо легче производить. Также вычерчивать дерево вариантов полезно, когда требуется записать все существующие комбинации элементов.

Задача № 5. На одном далеком острове живут два племени: рыцарей (которые всегда говорят правду) и плутов (которые всегда лгут). Один мудрец-путешественник рассказал такую историю. «Приплыв на остров, я встретил двух местных жителей и захотел узнать, из какого они племени. Я спросил первого: «Вы оба рыцари?». Не помню, ответил он «да» или «нет», но по его ответу я не смог однозначно определить кто из них кто. Тогда я спросил у того же жителя: «Вы из одного племени?». Опять-таки, не помню, ответил он «да» или «нет», но после этого ответа я сразу догадался, кто из них кто». Кого же встретил мудрец?

П

Решение:

Р

Р

нет

да

да

да

да

да

нет

нет

да

да

да

2

Ответ: первый ответ - "да", второй ответ - "нет" - мудрец встретил двух плутов.

Заключение. Приложение теории графов в различных областях науки и техники.

Инженер чертит схемы электрических цепей.

Химик рисует структурные формулы, чтобы показать, как в сложной молекуле с помощью валентных связей соединяются друг с другом атомы. Историк прослеживает родословные связи по генеалогическому дереву. Военачальник наносит на карту сеть коммуникаций, по которым из тыла к передовым частям доставляется подкрепление.

Социолог по сложнейшей диаграмме показывает, как подчиняются друг другу различные отделы одной огромной корпораций.

Что общего во всех этих примерах? В каждом из них фигурирует граф.

На языке теории графов формируются и решаются многие технические задачи, задачи из области экономики, социологии, менеджмента и т.д. Графы используются для наглядного представления объектов и связи между ними

К теории графов также относится целый ряд математических проблем, не решенных на сегодняшний день.

Литература.

«Энциклопедия для детей. Т.11. Математика» /Глав.ред. М.Д.Аксёнова/ Издательский центр «Аванта+», 1998.

«За страницами учебника математики» Сост. С. А. Литвинова. -2-е изд., дополненное. – М.:Глобус, Волгоград: Панорама, 2008.

Графы // Квант. -1994.- № 6.

Математические головоломки и развлечения. М. Гарднер. – М.: «Мир», 1971.

Зыков А.А. Основы теории графов М.: Вузовская книга, 2004.

Мельников О.И. Занимательные задачи по теории графов Издательство: ТетраСистемс, 2001.

Берж К. Теория графов и ее приложения. М.: ИЛ, 1962.

Материалы из Википедии - свободной энциклопедии.