广工管理运筹学第八章图与网络分析优秀课件.ppt
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1、广工管理运筹学第八章 图与网络分析第1页,本讲稿共74页引例哥尼斯堡七桥问题ABCDBDAC第2页,本讲稿共74页环球旅行问题:第3页,本讲稿共74页环球旅行问题的解另一个著名的问题:中国邮路问题第4页,本讲稿共74页第第1节节 图与网络的基本知识图与网络的基本知识图可以用来做什么:图可以用来做什么:管理当中,事物及事物间的联系可以用图来描述管理当中,事物及事物间的联系可以用图来描述五只球队的比赛情况五只球队的比赛情况甲甲乙乙丙丙丁丁戊戊甲甲乙乙丙丙丁丁戊戊ABCD工作分配问题工作分配问题图已经应用于物质结构、交通、信息传递等的描述图已经应用于物质结构、交通、信息传递等的描述第5页,本讲稿共7
2、4页图与网络的基本概念(1)图:图:这里讨论的图由点以及点与点间的连这里讨论的图由点以及点与点间的连线构成,与平面几何的图不同,这里只关线构成,与平面几何的图不同,这里只关心图中有多少个点,点与点间有无连线,心图中有多少个点,点与点间有无连线,至于点与点间的连线是直线还是曲线,点至于点与点间的连线是直线还是曲线,点的相对位置,则是无关紧要的。的相对位置,则是无关紧要的。第6页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(2)定义定义1 一个图是由点集一个图是由点集V=vi和和V中的元素中的元素的无序对的一个集合的无序对的一个集合E=ek所构成的二元组,所构成的二元组,记为记为G=(V,E),V中的元素中
3、的元素vi叫做叫做顶点顶点,E中中的元素的元素ek叫做叫做边边v2v1v5v3v4e2e1e3e4e5e6V=v1,v2,v3,v4,v5E=e1,e2,e3,e4,e5,e6e1=(v1,v1),e2=(v1,v2)例例第7页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(3)相邻相邻:图中的两点间存在连线(边),则:图中的两点间存在连线(边),则称这两点称这两点相邻相邻,并称它们是这条边的,并称它们是这条边的端点端点;若两条边有公共的端点,则称这两条边若两条边有公共的端点,则称这两条边相相邻邻,并称它们是其公共端点的,并称它们是其公共端点的关联边关联边。v2v1v5v3v4e2e1e3e4e5e6相邻
4、相邻边数边数:m(G)=|E|顶点数顶点数:n(G)=|V|第8页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(4)无向边与无向图无向边与无向图:若图中任一条边的端点无:若图中任一条边的端点无序,即序,即(vi,vj)与与(vj,vi)是同一条边,则称它是同一条边,则称它为为无向边无向边,此时图称为,此时图称为无向图无向图。有向图有向图:若图中边:若图中边(vi,vj)的端点是有序的,的端点是有序的,则称它是则称它是有向边有向边(或弧),(或弧),vi与与vj分别称为分别称为这条有向边的这条有向边的始点始点和和终点终点,相应的图称为,相应的图称为有有向图向图。第9页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(5
5、)v2v1v5v3v4e2e1e3e4e5e6环环(自回路自回路)多重边多重边定义定义2 不含环和多重边不含环和多重边的图称为的图称为简单图简单图。含多。含多重边的图称为重边的图称为多重图多重图。简单图第10页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(6)定义定义3 每一对顶点间都有边相连的无向简单每一对顶点间都有边相连的无向简单图称为图称为无向完全图无向完全图;有向完全图有向完全图是指每一对是指每一对顶点间有且仅有一条有向边的简单图。顶点间有且仅有一条有向边的简单图。完全图顶点数完全图顶点数n与边数与边数m间成立如下关系间成立如下关系:m=n(n-1)/2第11页,本讲稿共74页图与网络的基本概念
6、(7)定义定义4 图图G=(V,E)的点集的点集V可以分为两个非空可以分为两个非空子集子集X,Y,即,即X Y=V,X Y=,使得,使得E中的每条边的两个端点中必有一个属于中的每条边的两个端点中必有一个属于X,另一个属于另一个属于Y,则称,则称G为为二部图二部图(偶图),有(偶图),有时记为时记为G=(X,Y,E)二部图非二部图第12页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(8)定义定义5 以以v为端点的边数,叫做点为端点的边数,叫做点v的的次次(degree),记作,记作deg(v),或简记为或简记为d(v)。v2v1v5v3v4e2e1e3e4e5e6d(v1)=4d(v2)=3悬挂点悬挂点孤
7、立点孤立点悬挂边悬挂边偶点偶点奇点奇点第13页,本讲稿共74页图中顶点次的性质定理定理1 任何图中顶点次数的总和等于边数任何图中顶点次数的总和等于边数的的2倍。倍。定理定理2 任何图中次为奇数的顶点必有偶数任何图中次为奇数的顶点必有偶数个。个。定义定义6 在有向图中,以顶点在有向图中,以顶点v为始点的边数为始点的边数称为顶点称为顶点v的的出次出次,记为,记为d+(v);以;以v为终点为终点的边数称为的边数称为v的的入次入次,记为,记为d-(v)。顶点。顶点v的的出次与入次的和称为点出次与入次的和称为点v的的次次。第14页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(9)定义定义7 图图G=(V,E),若
8、若E是是E的子集,若的子集,若V是是V的子集,且的子集,且E中的边仅与中的边仅与V中的顶点相关联,中的顶点相关联,则称则称G=(V,E)为图为图G的一个的一个子图子图,特别地,特别地,若若V=V,则称则称G为为G的一个的一个生成子图(支撑子生成子图(支撑子图)图)。子图生成子图第15页,本讲稿共74页图与网络的基本概念(10)有时需要用图来表示事物及事物之间的定量有时需要用图来表示事物及事物之间的定量的联系,这时图中除了顶点与边外,还有与的联系,这时图中除了顶点与边外,还有与点或边有关的某些数量指标,常称它们为点或边有关的某些数量指标,常称它们为“权权”,权在图中可以表示距离、费用、通过,权在
9、图中可以表示距离、费用、通过能力等。这种点或边带权的图称为能力等。这种点或边带权的图称为网络网络(或(或赋权图赋权图)313112785342516第16页,本讲稿共74页连通图(1)定义定义8 无向图中一个点、边交错的序列,序无向图中一个点、边交错的序列,序列中的第一个和最后一个元素都是点,若其列中的第一个和最后一个元素都是点,若其中每条边以序列中位于它之前和之后的点为中每条边以序列中位于它之前和之后的点为端点,则称这个点边序列为图中连接其第一端点,则称这个点边序列为图中连接其第一个点与最后一个点的个点与最后一个点的链链。链中所含的边数称。链中所含的边数称为为链长链长。链,但只是链,但只是简
10、单链简单链而而非非初等链初等链简单链:没有重复边;初等链:既无重复边也无重复点。对有向图可类似定义链,如果各边的方向一致,则称为道路。第17页,本讲稿共74页连通图(2)定义定义9 若在无向图中,一条链的第一个点与若在无向图中,一条链的第一个点与最后一个点重合,则称这条链为最后一个点重合,则称这条链为圈圈。只有重。只有重复点而无重复边的圈为复点而无重复边的圈为简单圈简单圈,既无重复点,既无重复点又无重复边的圈为又无重复边的圈为初等圈初等圈。初等圈初等圈非简单的圈非简单的圈第18页,本讲稿共74页连通图(3)有向图有向图无向图无向图道路道路链(或道路)链(或道路)回路回路圈(或回路)圈(或回路)
11、道路道路(边的方向一致边的方向一致)不是道路不是道路第19页,本讲稿共74页连通图(4)定义定义10 一个图中一个图中任意任意两点间至少有一条链相两点间至少有一条链相连,则称此图为连,则称此图为连通图连通图。任何一个不连通图。任何一个不连通图总可以分为若干个连通子图,每一个称为原总可以分为若干个连通子图,每一个称为原图的一个分图(图的一个分图(连通分支连通分支)。)。连通图连通图非连通图非连通图第20页,本讲稿共74页图的矩阵表示邻接矩阵对于图对于图G=(V,E),|V|=n,构造一个矩阵构造一个矩阵A=(aij)n n,其中:其中:v1v2v3v4v5v6第21页,本讲稿共74页图的矩阵表示
12、权矩阵对于网络(赋权图)对于网络(赋权图)G=(V,E),|V|=n,其中边其中边(vi,vj)上有权上有权wij,构造一个矩阵,构造一个矩阵A=(aij)n n,其其中:中:342516v1v2v3v4第22页,本讲稿共74页欧拉回路(1)定义定义13 连通图连通图G中,若存在一条道路,经过中,若存在一条道路,经过每边一次且仅一次,则称这条道路为每边一次且仅一次,则称这条道路为欧拉道欧拉道路路。若存在一条回路经过每边一次也仅一次,。若存在一条回路经过每边一次也仅一次,则称这条回路为则称这条回路为欧拉回路欧拉回路。具有欧拉回路的图称为欧拉图(具有欧拉回路的图称为欧拉图(E图)。图)。定理定理3
13、 无向连通图无向连通图G是是欧拉图,当且仅当欧拉图,当且仅当G中中无奇点无奇点第23页,本讲稿共74页欧拉回路(欧拉回路(2)推论推论1 无向连通图无向连通图G为欧拉图,当且仅当为欧拉图,当且仅当G的的边集可以划分为若干个初等回路。边集可以划分为若干个初等回路。推论推论2 无向连通图无向连通图G中有欧拉道路,当且仅当中有欧拉道路,当且仅当G中恰好有两个奇点。中恰好有两个奇点。ABCD哥尼斯堡七桥问题无解哥尼斯堡七桥问题无解一笔画问题一笔画问题第24页,本讲稿共74页欧拉回路(3)定理定理4 连通有向图连通有向图G是欧拉图,当且仅当它的是欧拉图,当且仅当它的每个顶点每个顶点的出次等于入次。的出次
14、等于入次。连通有向图连通有向图G有欧拉道路,当且仅当这个图中有欧拉道路,当且仅当这个图中除了两个顶点外,其余每个顶点的出次等于除了两个顶点外,其余每个顶点的出次等于入次,且这两个顶点中,一个顶点的入次比入次,且这两个顶点中,一个顶点的入次比出次多出次多1,另一个的入次比出次少,另一个的入次比出次少1。v1v2v3v4v5v6第25页,本讲稿共74页中国邮路问题一个邮递员,负责某一地区的信件投递,他一个邮递员,负责某一地区的信件投递,他每天要走邮局出发,走遍该地区所有街道,每天要走邮局出发,走遍该地区所有街道,再返回邮局,问应如何安排送信的路线可以再返回邮局,问应如何安排送信的路线可以使所走的总
15、路程最短?使所走的总路程最短?用图论的语言描述就是:给定一个连通图用图论的语言描述就是:给定一个连通图G,每边有非负权,每边有非负权l(e),要求一条回路过每边,要求一条回路过每边至少一次,且满足总权最小。至少一次,且满足总权最小。第26页,本讲稿共74页中国邮路问题解法(1)若若G是欧拉图,则按欧拉回路走,就是满足是欧拉图,则按欧拉回路走,就是满足要求的经过每边至少一次且总权最小的走法。要求的经过每边至少一次且总权最小的走法。abcdef若若G中有奇点,则中有奇点,则G不是不是欧拉图,因此要连续地走欧拉图,因此要连续地走过每边至少一次,则必然过每边至少一次,则必然有某些边不止一次走过。有某些
16、边不止一次走过。这相当于在这相当于在G中添加一些中添加一些重复的边,使得到的新图重复的边,使得到的新图G*没有奇点且满足总路没有奇点且满足总路程最短。程最短。第27页,本讲稿共74页中国邮路问题解法(2)abcdefabcdef对增加了重复边后得到的对增加了重复边后得到的新图新图G*,很明显其总权的,很明显其总权的大小取决于增加的重复边大小取决于增加的重复边权的大小。因此中国邮路权的大小。因此中国邮路问题转化为如下问题:问题转化为如下问题:在连通图在连通图G=(V,E)中,求一中,求一个边的集合个边的集合E1 E,将,将E1中中所有边都变成重复边得到所有边都变成重复边得到新图新图G*,使得,使
17、得G*中无奇点,中无奇点,且且 最小最小第28页,本讲稿共74页中国邮路问题解法(3)上述问题的解决依赖于以下结果:上述问题的解决依赖于以下结果:定理定理5 已知图已知图G*=G+E1无奇点,则无奇点,则最小的充分必要条件为:最小的充分必要条件为:(1)每条边最多重复一次;)每条边最多重复一次;(2)对图)对图G中的每个初等圈来说,重复边的中的每个初等圈来说,重复边的长度不超过圈长的一半。长度不超过圈长的一半。第29页,本讲稿共74页中国邮路问题解法(4)下面直观地说明,若定理下面直观地说明,若定理5的条件不成立,则的条件不成立,则可以得到总权比可以得到总权比E1的更小的重复边集。的更小的重复
18、边集。122254122254重复两次或以上的重复两次或以上的去掉其中两条去掉其中两条将原来的重复边变成非将原来的重复边变成非重复边,原来的非重复重复边,原来的非重复边变成重复边边变成重复边第30页,本讲稿共74页中国邮路问题解法(5)解法解法第一步第一步:确定初始可行方案。若图中没有:确定初始可行方案。若图中没有奇点,则它已经是欧拉图,按欧拉回路走即可。奇点,则它已经是欧拉图,按欧拉回路走即可。否则,若有奇点,奇点必有偶数个,将奇点两否则,若有奇点,奇点必有偶数个,将奇点两两配对,然后找出每对奇点间的一条道路,两配对,然后找出每对奇点间的一条道路,将此道路中的每条将此道路中的每条边都变成重复
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