欧拉图在生活中的应用本科毕业论文(15页).doc
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1、-欧拉图在生活中的应用本科毕业论文-第 11 页Liaoning Normal University(2013届)本科生毕业论文(设计)题 目: 欧拉图在生活中的应用学 院: 数学学院专 业: 数学与应用数学班级序号: 11班22号学 号: 20111122060022学生姓名: 陈旭指导教师: 张楠 2013年5月目 录摘要1Abstract1前言21欧拉图问题提出的研究背景和定义311问题提出的研究背景312定义32欧拉图的判定定理和实例421欧拉图的判定定理422欧拉图实例53欧拉图的应用831中国邮递员问题及算法832牛奶配送问题13参考文献17致谢18欧拉图在生活中的应用摘要:欧拉图
2、起源于哥尼斯堡七桥问题,通过图中所有边一次且仅一次行遍图中所有顶点的通路称为欧拉通路,通过图中所有边一次并且一次行遍所有顶点的回路称为欧拉回路。具有欧拉回路的图称为欧拉图。欧拉图在现实生活中有着较广泛的应用。本文主要介绍了欧拉图问题提出的研究背景、相关概念和常用的判定定理、判别法及算法以及欧拉图在生活中的实际应用例子。关键词:欧拉图;判定定理;算法;应用。Abstract: Euler graph originated in Konigsberg seven Bridges problem, all through the picture edge once and only once tra
3、veled all the vertices in the graph of pathways called Euler path, all through the picture edge once and once traveled all vertices of Euler circuit. With Euler circuit diagram called Euler graph. Euler graph has a wide application in real life. Euler graph problem is mainly introduced in this paper
4、 puts forward the research background, related concepts and common decision theorem, Euler graph method and algorithm as well as practical application example in the life.Key words: Euler graph; Judgment theorem; Algorithm; Application.前言图论是近210年来发展十分迅速、应用比较广泛的一个新兴的数学分支,19世纪末期,图论已经用来研究电网络方程组和有机化学中的分
5、子结构;20世纪中叶以后,借助于计算机,图论又用来求解生产管理、军事、交通运输、计算机以及通信网络等领域中的许多离散性问题,同时图论中的一些著名问题也借助于计算机科学、电子学、信息论、控制论、网络理论、社会科学和管理科学等领域中,因此受到全世界越来越广泛的重视。图论的内容十分丰富,涉及面也比较广。本文章所涉及的只是图论中的欧拉图的问题提出背景、一些基本定义、判定定理和生活中的应用。欧拉图是由哥尼斯堡七桥问题诞生的,讲述的是:18世纪,普鲁士的哥尼斯堡城有一条贯穿全城的河流,河中有两个岛,有七座桥将两岸与岛屿及岛屿之间连接,当时当敌人们热衷于一个难题:一个散布者怎样不重复地走完七桥,最后回到出发
6、点。这个问题困扰了人们许多年,成千上万的人试过了,但都没有成功。这个问题引起了欧拉的注意,为了寻找答案,欧拉对此问题进行观察、思考和研究,终于解决了这一难题,就是我们现在学习的欧拉图的判定方法。最后讲述了欧拉图在生活中的应用问题,是本文的重要组成部分。运用欧拉图的相关定理来解决生活中的实际应用问题任重而道远,需要我们共同努力为国家贡献力量!1欧拉图问题提出的研究背景和定义11问题提出的研究背景18世纪,普鲁士的哥尼斯堡城有一条贯穿全城的河流(普雷格尔河),河中有两个岛,有七座桥将两岸与岛屿及岛屿之间连接,当时当敌人们热衷于一个难题:一个散布者怎样不重复地走完七桥,最后回到出发点。这个问题困扰了
7、人们许多年,成千上万的人试过了,但都没有成功。这个问题引起了欧拉的注意,为了寻找答案,欧拉对此问题进行观察、思考和研究,“也许并不存在这样的走法?”为了证明自己的猜想,他首先考虑到了集合中的“列举法”,但检验起来却十分麻烦,而且在同样的问题中,如果桥更多,那么“列举法”就无使用价值了,因此他放弃了这个方法,后来他改变了思考的角度,发现七桥问题仅仅涉及物体的位置关系,而与路程无关,于是他用点、表示岛屿,点、表示河的两岸,用连接两点的线表示桥,这样就可以画出如图1-1所示的无向图,这个问题就转化为“能否一笔画出该无向图且最后返回起点”。哥尼斯堡城七桥问题是否有解,就相当于这个无向图是否存在经过图中
8、每条边一次且仅一次的简单回路。我们知道,从某一个点出发最后又回到这个点,经过这一点的边的条数一定是偶数;经过中间的每一点,有进去的一条边,又有出来的一条边,因此,经过这些点的边的条数也是偶数。根据这个道理,我们可以看到图中经过每一点巧妙地解决了这个困扰人们多年但又十分有趣的问题。那这个方法也就成了我们现在学习的欧拉图的判定方法。图1-112定义定义1 图:图论中将图定义为一个偶对,其中表示顶中点的集合,是无序组集合的一个子集合,集合中的元素在出现不止一次边的集合。分别用和表示图的顶点集合与边的集合。如果和都是有限集合,则称为有限图,否则称为无限图。若,则称为阶图。定义2 平凡图:只有一个顶点的
9、图叫做平凡图。定义3 关联:一条边的端点称为与这条边关联。定义4 连通:设是图中的两个顶点,若中存在一条道路,则称顶点和是连通的。定义5 度:设中与顶点关联的边的数目,称为(在中)的度,记作。定义6 回路:设为图,中顶点与边的交替序列称为到的通路,若,则称通路为回路。(若的所有边各异,则称为简单回路。)定义7 通过图中所有边一次且仅一次行遍图中所有顶点的通路称为欧拉通路,通过图中所有边一次并且仅一次行遍所有顶点的回路称为欧拉回路。具有欧拉回路的图称为欧拉图。定义8 给定有向图,经过中每边一次且仅一次的有向迹称为有向欧拉图;经过中每边一次且仅一次的有向闭迹(回路)称为有向欧拉回路。定义9 含欧拉
10、回路的无向连通图与含有向欧拉回路的弱连通有向图,统称为欧拉圈。定义10 欧拉闭迹:经过图的每条边恰好一次的闭迹。定义11 欧拉迹:经过每条恰好一次的迹。2欧拉图的判定定理和实例21欧拉图的判定定理下面介绍欧拉图的一些判定定理:引理:设一般图,如果它的每个顶点的度数都是偶数,则的每条边都属于一条闭迹,因而也属于一个圈。证明:利用下面的算法,可以找到一条包含任意指定边的闭迹。在该算法中,我们要构造一个顶点集和一个边集。求闭迹的算法i) 令ii) 令iii) 令iv) 当时,执行a) 找出一个不在中的边。b) 将放人中(也许已在中)。c) 将放入中。d) 令。 这样,经过i)iii)步初始化以后,在
11、算法中的,我们都要找到一条新边,它邻接于最后一次放入中的顶点,再将和分别放入和中,并使的值增1.重复这个过程,直到最终又到达为止。 假设只要时,满足iv)a)的一条边总存在。设的终值它为,所产生的顶点集,边的多重集,于是,根据算法得到的就是包含初始边的一条闭迹。因此,我们只需证明:如果,那么就有一个不在中的边与邻接。正是在这里,用到了偶度次顶点的假设。容易看到:算法中每步iv)的d)结束时,一般图的每个顶点都具有偶度次,只有顶点(它起始于奇度1)和最新加入的顶点(它的度数刚刚增加1)可能除外。此外,和具有偶度次,当且仅当,因此,如果,则在一般图中就具有奇度次。既然在一般图中具有偶度次,则必存在
12、一个还不属于的边与邻接。所以,当算法结束时,必有,从而式是一条闭迹。由于一条闭迹中的边可以被划分为圈,所以我们完成了引理的证明。定理1 设是一个连通一般图,则中存在闭欧拉迹,当且仅当中每个顶点的度数是偶数。证明:我们已经观察到了:如果中有一条闭欧拉迹,则的每个顶点都具有偶度次。现在设是一个连通一般图,且它的每个顶点都具有偶度次,我们选定的任意一条边,并应用引理证明中给出的求闭迹的算法,求得一条包含边的闭迹。令是去掉中属于闭迹的边后得到的一般图,则的所有顶点都具有偶度次。如果中至少含有一条边,则由于的连通性,中至少有一条边与闭迹中的某个顶点邻接,我们对和边应用算法求出一条包含边的闭迹。现在我们把
13、和在顶点处拼接在一起,得到一条包含和的所有边的闭迹。令是中去掉的边后得到的一般图,如果中至少含有一条边,则它必有一条边与闭迹中的某个顶点邻接,再对和边应用算法,求得一条包含边与闭迹,又将和在顶点出拼接,得到一条包含,和的所有边的闭迹。重复上述过程,直到所有的边都包含在一条闭迹 中为止。因此,重复调用求闭欧拉迹的算法。定理2 设是一个连通的一般图,则中存在一条开欧拉迹,当且仅当中恰好有两个奇度顶点和。此外,中任均连接意一条开欧拉迹和。证明:首先,回忆定理(设是一个一般图,则其所有顶点的度数之和是一个偶数,从而,其奇度顶点的个数也必为偶数。): 中奇度顶点的个数必为偶数。如果中存在一条开欧拉迹,则
14、它必连接中的两个奇度顶点和,而中的其他顶点必是偶度次的(因为欧拉迹每次进入并离开一个不同于和的顶点时,使得与邻接的边必成对出现)。现在假设是连通的,且恰好有两个奇度顶点和,令是通过对增加一条连接和的新边而得到的一般图,则是连通的,且此时的所有顶点都是偶度次的,因此,由定理1,中存在一条欧拉迹。我们可以把看作起始与顶点,其第一条边是连接和的新边的闭欧拉迹,从中去掉这条边,我们就得到了一条中连接和的,且起始与顶点的开欧拉迹。我们可以利用求的一条闭欧拉迹的算法,得到求的一个开欧拉迹的算法。定理3 设是一个连通一般图,并设中奇度顶点的个数,则的边可以被划分为个开迹,但不能被划分为少于个开迹。定理4 有
15、向图是欧拉图当且仅当是强连通的且每个顶点的入度都等于出度。定理5 有向图是半欧拉图当且仅当是单向连通的,且中恰有两个奇度顶点,其中一个的入度比出度大1,另一个的出度比入度大1,而其余顶点的入度都等于出度。定理6 是非平凡的欧拉图当且仅当是连通的且为若干个边不重的圈之并。22欧拉图实例例1 设是给定正整数,由个圈组成一个(有向或无向)图,最少要添加的几条边使之成为欧拉图?图2-1解答:在无向图中,假设如果有2个圈,不重合,加上最少的边成为欧拉图,即在这2个圈之间加2条平行边(如图2所示)。因为圈中每个点的度数是2,已经符合欧拉图的条件,如果再添加边必须在一个顶点上再加两条边与其相邻的顶点连接(如
16、图3所示),这样才能使之符合欧拉图的每个顶点的度均为偶数的条件。于是,可以想象,个圈可以假设成个点,要使个独立点成为图,即在这2个圈之间加2条方向相反的边,因为圈中每个点的度数是2(1入1出),已经符合欧拉图的条件,必须在一个顶点上再加两条方向相反的边与其相邻的顶点连接,这样才能使之符合欧拉图的每个顶点的度均为偶数且出度等于入度的条件。于是,可以想象,个圈可以假设成个点,要使个独立点成为图,那么最少必须加上条边且方向相同才能使之成为欧拉图。例2 验证一个连通的线的网络,能够无折回地走通时,则网络中的奇度顶点要么为0,要么为2。解答:在计算机领域中,网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机连在
17、一起,组成数据链路,从而达到资源共享和通信的目的。网络是在物理上或和逻辑上,按一定拓扑结构连接在一起的多个结点和链路的集合。这里如果我们把工作站和主机都看做是结点,链路看做是边的话,那么连通的网络就是判断有没有欧拉通路的网络,结合欧拉图的判定定理,每个结点的度都是偶数或只有奇度顶点(其它点的度都为偶数),才能构成欧拉通路。所以一个连通的线的网络,能够无折回地走通时,网络中的奇度顶点个数要么为0,要么为2,具有可信性和可执行性。例3 设是欧拉图,但不是平凡图,也不是一个环则证明:只需证明中不肯能有桥(如何证明?) 图2-2 图2-3上图中,图2-2,图2-3两图都是欧拉图,均从点出发,如何一次成
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