Розв'язок задачі про найкоротший шлях використовуючи алгоритм Беллмана-Форда

Алгоритм Беллмана-Форда — це алгоритм, який обчислює найкоротші шляхи від однієї вихідної вершини до всіх інших вершин в зваженому орієнтованому графі. Безумовно, він являється повільнішим, ніж алгоритм Дейкстри для тієї ж задачі, але більш універсальний, оскільки здатний обробляти графи, в яких вага деяких ребер приймає від'ємного значення. Алгоритм зазвичай називають на честь двох його розробників, Річарда Беллмана і Лестера Форда, які опублікували його у 1958 та 1956 роках відповідно. Тим не менш, Едвард Форест Мур також опублікував даний алгоритм у 1957 році, і з цієї причини його також іноді називають алгоритмом Беллмана-Форда-Мура.

Різниця в кінцеваому результаті між алгоритмом Беллмана Форда та алгоритмом Дейкстри

Як уже зазначалося вище, алгоритм Беллмана-Форда підходить для роботи з графами, що мають ребра з від'ємною вагою. Однак, якщо граф містить «від'ємний цикл», тобто цикл, сума ваги ребер якого дорівнює від'ємному значенню, тоді, для даного графа, не існує дерева найкоротших шляхів (будь-який шлях такого типу може бути покращений ще одним проходом через ребра, що утворюють від'ємний цикл). В такому випадку алгоритм Беллмана-Форда може виявити цикли від'ємної довжини і повідомити про їх існування, але він не може дати правильну відповідь, тобто знайти найкоротший шлях, якщо від'ємний цикл досяжний з вершини джерела.

Читати повністю

Задача про рюкзак. Математична модель задачі про рюкзак

У загальному вигляді задача про рюкзак (в літературі часто зустрічається і інша її назва, а саме задача про ранець) формулюється в такий спосіб: є рюкзак певного об'єму і необмежена кількість предметів. Для кожного предмета відомий його об'єм (вага) і цінність (вартість, ефективність). У рюкзак можна покласти ціле число предметів різного типу. Мета полягає в тому, щоб сумарна цінність всіх, що знаходяться в рюкзаку, предметів була максимальна, а їх об'єм (вага) не перевищував заданої величини. До подібного формулювання може бути зведена задача максимального використання вантажопідйомності рухомого складу, вантажомісткості судна, автомобіля і тому подібне. Таке завдання часто виникає при виборі оптимального управління в економіко-фінансових областях (наприклад розподіл бюджету відділу по проектам).

Ілюстрація задачі про ранець

Запишемо математичну модель задачі такого типу. Для цього, припустимо, що розглядається скінченна множина предметів , для кожного з яких відома вартість і визначений об'єм . Також є рюкзак об'ємом . Необхідно упакувати рюкзак таким чином, щоб загальна вартість запакованих предметів була якнайбільшою, а їх загальний об'єм не перевищував величини . Традиційно вважають, що  — цілі невід'ємні числа.

Читати повністю

Переборний алгоритм для розфарбування вершин графа

Розфарбуванням вершин графа називається процес призначення певного кольору кожній з його вершин. Зазвичай кольори — це числа . Тоді, розфарбування є функцією, визначеною на множині вершин графа, яка приймає значення з множини .

Розмальовку можна також розглядати як розбиття множини вершин графа на підмножини, кожна з яких являється множиною вершин певного кольору. Відмітимо, що такі підмножини називаються кольоровими класами. Розфарбування називається правильним, якщо кожен кольоровий клас є незалежною множиною. Інакше кажучи, в правильному розфарбуванні будь-які дві суміжні вершини повинні мати різні кольори. Задача про розфарбовування полягає в знаходженні правильної розмальовки графа в найменше число кольорів. Це число називається хроматичним числом графа і позначається .

Розфарбування вершин графа найменшим набором квітів

У правильному розфарбуванні повного графа , кожна з його вершин повинна бути зафарбована у свій колір, тому хроматичне числа графа такого типу дорівнює кількості його вершин, тобто . Якщо в графі існує повний підграф з вершинами, то для розмальовки цього підграфа необхідно  кольорів. Звідси випливає, що для будь-якого графа виконується нерівність , де  — клікове число графа .

Читати повністю

Перевірка графа на дводольність

Граф називається дводольним, якщо множину його вершин можна розбити на дві підмножини так, щоб кінці кожного ребра належали різним підмножини. Ці підмножини називаються частками, кожна з яких породжує порожній підграф. Відмітимо, що дводольний граф у якого будь-яка вершина першої частки з'єднана з усіма вершинами другої частки називається повним дводольним графом.

Дводольний граф

Приклад дводольного графа

Прикладне значення поняття дводольного графа пов'язано з тим, що за допомогою таких графів моделюються відносини між об'єктами двох типів, а такі відносини часто зустрічаються на практиці. Наприклад, відношення між вихідними продуктами і готовими виробами (продукт використовується у виробництві виробу ), відношення між працівниками і професіями (працівник  володіє професією ), відношення між викладачами та навчальними курсами (викладач  веде навчальний курс  ) та інші.

Читати повністю

Топологічне сортування орієнтованого графа методом видалення вершини-джерела

Нагадаємо, що за посиланням топологічне сортування вершин графа нами була розглянута одна з основних задач, що виникає при роботі з орієнтованими графами та один з методів для її рішення.

Задача про топологічне сортуванна графа

Топологічне сортування графа методом видалення вершини-джерела

Сьогодні, для розв'язку задачі такого типу, застосуємо дещо інший алгоритм, заснований на безпосередній реалізації методу зменшення розміру задачі, а якщо бути більш точним, то зменшенням розміру на одиницю.

Основна суть даного алгоритму полягаєв в тому, що на кожній з його ітерацій, здійснюється визначення вершини-джерела орієнтованого графа що залишився (джерелом називається вершина в яку не входить жодне ребро), і, в подальшому, видалення його з усіма, що виходять з нього, ребрами. Якщо таких вершин декілька, довільним чином вибирається одна з них. Порядок видалення таким чином вершин, дає рішення задачі про топологічне сортування. Відмітимо, що якщо на деякому кроці виявиться, що для орієнтованого графа що залишився, вершини-джерела не існує, то задача про тополігічне сортування розв'язків немає.

Читати повністю

Знаходження компонент сильної зв'язності орієнтованого графа

Компонентою сильної зв'язності орієнтованого графа називається максимальна множина його вершин, в якій існують шляхи з будь-якої вершини в будь-яку іншу. Так наприклад, граф , зображений на рисунку що міститься нижче, складається з чотирьох компонент сильної зв'язності: , , і .

komponenty_sylnoi_zvjaznosti_grafa110

Орієнтований граф та його компоненти сильної зв'язності

Як видно з рисунка, кожна вершина орієнтованого графа  належить певній компоненті сильної зв'язності, але деякі ребра можуть не належати жодній з них. Такі ребра з'єднують вершини з різних компонент.

Читати повністю

Топологічне сортування вершин орієнтованого графа

Нехай розглядається деякий орієнтований граф який не містить циклів. Під топологічним сортуванням даного графа розуміють процес лінійного впорядковування його вершин таким чином, що якщо в графі існує ребро , то, в упорядкованому списку вершин графа , вершина  передує вершині . Якщо в орієнтованому графі є цикли, то упорядкованого таким чином списку для нього не існує.

topologichne_sortuvannja_grafa28

Орієнтований граф та один з варіантів топологічного сортування його вершин

Відмітимо, що задачу про топологічне сортування можна переформулювати наступним чином: розмістити вершини орієнтованого графа на горизонтальній прямій таким чином, щоб всі його ребра йшли зліва направо. У житті це відповідає, наприклад, наступним проблемам: в якому порядку слід здійснювати розв'язок задачі, якщо вона розпадається на підзадачі і виконання деяких підзадач, зазвичай, починається слідом за закінченням інших; в якому порядку слід розташовувати теми в шкільному курсі математики, якщо для кожної теми відомо, знання яких інших тем необхідні для її вивчення; в якому порядку необхідно розподілити опис процедур в програмі, якщо деякі процедури можуть містити звернення до інших процедур.

Читати повністю

Наступна сторінка »