===== Zadání ===== Grafy a grafové algoritmy. Formalizace základních grafových pojmů, reprezentace grafů. Souvislost grafu, barevnost, rovinné grafy. Algoritmy (včetně složitosti a základní myšlenky důkazů korektnosti): prohledávání grafu do šířky a do hloubky, nejkratší vzdálenosti, kostry, toky v sítích. ===== Vypracování ===== **Upozornění:** bez nároku na úplnost a korektnost. Podle hesla „lepší něco než nic“. Ale snaha byla o co nejlepší výsledek. ==== Základní grafové pojmy ==== * graf – uspořádaná dvojice (V, E) množin vrcholů a hran * vrchol – jeden z prvků množiny určující graf; mohou z něj vést hrany * hrana – dvouprvková podmnožina množiny vrcholů. (Orientovaný graf: E \subseteq V \times V.) Když v \in e, tak v je incidentní s e. * řídký graf – |E| je mnohem menší než |V|^2 (→ preferuje proto seznamy následníků) * hustý graf – |E| je blízko |V|^2 (→ preferuje proto matici sousednosti) * smyčka – hrana (a, a) * cesta v grafu – posloupnost P = (v_0, e_1, v_1, ...), kde e_i = { v_i-1, v_i }, navíc v_i != v_j pro i != j * tah – cesta, v níž se mohou opakovat vrcholy * sled – cesta, v níž se mohou opakovat vrcholy i hrany * cyklus/kružnice – uzavřená cesta (netriviální) * sousední vrchol – spojený hranou + váhovaný graf, multigraf === Reprezentace grafů === == Seznamy následníků == * máme pole o |V| prvcích – pro každý vrchol u ∈ V jeden a je jím seznam prvků v $ (u, v) ∈ E * paměťová náročnost: Θ(V + E) == Maticí sousednosti == * matice velikosti |V| × |V| * prvek matice a_ij = 1, pokud (i, j) ∈ E, jinak a_ij = 0 === Souvislost grafu === * souvislý graf – (neorientovaný) graf, v němž platí, že pro každé dva vrcholy x, y existuje sled z x do y. * slabá souvislost – graf je slabě souvislý, pokud jeho symetrizace (= odstranění orientovanosti) je souvislý graf. * silná souvislost – graf je silně souvislý, pokud pro každé dva vrcholy x, y existuje cesta z x do y i z y do x. Silně souvislá komponenta je takový //maximální// podgraf orientovaného grafu, v němž pro každou dvojici vrcholů u, v existuje sled. * Dvojitý DFS – první mi určí pořadí (na G^R) pro volání druhého (na G) (sestupné finishing časy), který mi vytiskne jednotlivé komponenty. == Řezy == * vrcholový řez (= separátor) – taková množina U ⊆ V, že graf G = (V\U, E) není souvislý * hranový řez * vrcholová (hranová) souvislost – velikost minimálního vrcholového (hranového) řezu * graf je vrcholově/hranově k-souvislý, pokud jeho vrcholová/hranová je ≥ k === Barevnost === Barvení grafu se zabývá přiřazováním barev nejčastěji vrcholům (příp. hranám či stěnám). Nechť G = (V, E) je graf, k přirozené číslo. Zobrazení b: V → {1, ..., k} nazveme obarvením grafu G pomocí k barev, pokud pro každou hranu {x, y} ∈ E platí b(x) ≠ b(y). Barevnost grafu (také **chromatické číslo**) G je minimální počet barev potřebný pro obarvení G. Značí se \chi(G) (= velké chí). === Rovinné grafy (= planární) === * pro rovinný graf existuje takové rovinné nakreslení, kdy se žádné dvě hrany nekříží * duální graf – (multi)graf, jehož vrcholy tvoří stěny jiného rovinného grafu * stěna – souvislý kus roviny určený rovinným nakreslením grafu Věta (Eulerova formule): V rovinném grafu G=(V, E) platí: 1. |V| − |E| + s = |E|+2. (s = počet stěn) 2. |E| ≤ 3|V|−6. Věta (o 4 barvách): Vrcholy rovinného grafu lze obarvit 4 barvami tak, aby žádná hrana nespojovala dva vrcholy stejné barvy. * aplikace: návrh jednovrstvých tištěných spojů (= PCB) (VLSI designs) ==== Algoritmy ==== **Včetně složitosti a základní myšlenky důkazů korektnosti!** n= |V| m = |E| === Prohledávání grafu === ^ algoritmus ^ složitost ^ | BFS | \mathcal{O}(m + n) | | DFS | \mathcal{O}(m + n) | * Q – fronta z vrcholů * d[u] – vzdálenost u od s * π[u] – předchůdce u * color[u] ∈ {white, gray, black} – pomocné * inicializace pro všechny mimo počáteční vrchol s: obarvení na bílo, nekonečná vzdálenost, předchůdce nil * inicilalizace s: šedý, vzdálenost 0, předchůdce nil, zařadí se do Q * dokud se Q nevyprázdní, vezmu z Q u, projdu všechny jeho bílé sousedy, ošedím je, nastavím vzdálenost (d[u] + 1) a předchůdce (u), zařadím do Q a u přebarvím na černo **Složitost** * incializace: \mathcal{O}(n) * žádný vrchol se pak již nepřebarví na bílo, takže jde do i z Q nejvýše jednou → operace s frontou tedy stojí \mathcal{O}(n) * seznam sousedů vrcholu se prochází, jen když je vrchol odstraňován z fronty, takže dohromady \mathcal{O}(m) * = \mathcal{O}(m+n) **Korektnost** * BFS objeví každý z s dosažitelný vrchol, nedosažitelné nebudou objeveny. * Po zastavení d[v] = δ(s, v) ∀v ∈ V. * Pro každé v ∈ V dosažitelné z s je lib. nejkratší s-π[v]-cesta následovaná hranou (π[v], v) jednou z nejkratších s-v-cest. Právě vrcholy zařazené do Q mají d[v] < ∞. Pokud v nedosažitelné z s, tak d[v] >= δ(s, v) = ∞, proto v nebude objeven. V_k = {v ∈ V | δ(s, v) = k}, k ∈ N_0, → indukcí vzhledem ke k. IK: Pokud v jde do Q, d[v], π[v] se již nikdy nemění. Jsou-li vrcholy zařazovány do Q v pořadí v_1, ..., v_r, pak d[v_1] ≤ ... ≤ d[v_r]. Nechť v ∈ V_k (k ≥ 1), tj. je objeven až po objevení všech z V_k-1. Poněvadž δ(s, v) = k, ex. cesta s, ..., u (∈ V_k-1), v délky k. Nechť u je první takový objevený. V jistém okamžiku se u objeví na čele Q, v je objeven při prohlídce sousedů u. Tedy pro v ∈ V_k je π[v] ∈ V_k-1, a proto d[v] = d[π[v]] + 1. Nejkratší cestu do v tak získáme tím, že půjdeme po nejkratší cestě do π[v], a pak po hraně (π[v], v). * procházení grafu metodou **backtrackingu** * vždy expanduje prvního následníka každého vrcholu, pokud jej ještě nenavštívil * vrcholy k procházení ukládá do zásobníku (LIFO) * pokud nenajde v aktuálním vrcholu nenavštívené následníky, vrací se zpět **backtrackingem** (vyjme další prvek ze zásobníku) **Algoritmus** * incializace vynuluje čas + všechny obarví na bílo a nastaví předchůdce na nil * hlavní část algoritmu iteruje přes všechny vrcholy grafu a nad bílými spouští podproceduru Visit * ta: inkrementuje čas, nastaví discovery time, ošedí vrchol; projde všechny sousedy a bílým nastaví předchůdce a spustí nad nimi opět Visit; nakonec uzel očerní, inkrementuje čas a nastaví finishing time **Složitost** * inicializace O(n), vynulování času O(1), iterace nad vrcholy O(n) * Visit: nastavení parametrů – pro každý vrchol O(1); procházení sousedů O(m); nastavení parametrů – pro každý vrchol O(1) * = O(m + n) **Korektnost** * věta o závorkách (discovery a finishing časy dvou uzlů jsou buď zcela disjunktní nebo tak či onak zanořené, pokud v DF-tree jde o následníka) * věta o bílé cestě (pokud v je v DF-forest následníkem u, tak v čase d[u] vede od u k v cesta po čistě bílých vrcholech) DF-forest = predecessor subgraph, kde hrany = { (π[v], v) | v ∈ V ∧ π[v] ≠ nil } → forest, protože DFS může být opakováno z více vrcholů === Nejkratší vzdálenosti === if d[v] > d[u] + w(u, v) → d[v] = d[u] + w(u, v); π[v] = u (w = váha hrany) ^ algoritmus (1-to-n)^ složitost ^ typ grafu ^ | BFS | \mathcal{O}(m+n) | vzdálenost = počet hran | | Dijkstrův algoritmus | \mathcal{O}(m + n * \log n) | nezáporné délky hran | | Bellman-Ford | \mathcal{O}(m * n)| | ^ algoritmus (n-to-n)^ složitost ^ typ grafu ^ | Násobení matic | \mathcal{O}(n^3 * \log n) | | | Floyd-Warshall | \mathcal{O}(n^3) | | | Johnson | \mathcal{O}(n^2 * \log n + m * n) | | == Hledání nejkratších cest z jednoho vrcholu do všech == * udržuje množinu vrcholů, do kterých už byla vzdálenost spočítána; vyžaduje minimovou prioritní frontu – z dosud nezpracovaných vrcholů * zpracovává postupně vrcholy mající nejnižší cenu (vzdálenost od s) a každou hranu z daného vrcholu relaxuje * nefunguje pro záporně ohodnocené hrany **Složitost** * inicializace O(n), naplnění Q O(n), zpracování všech vrcholů O(n), relaxace všech hran O(m) + aktualizace hodnot v Q O(log n) pro každou hranu * uvažujeme binární haldu, kde vložení je v průměru v O(1), odstranění minima O(log n) a aktualizace O(log n) * = O(m * log n) * s využitím fibonacciho haldy: O(m + n * log n) **Korektnost** Ukážeme, že d[v] = δ(s, v) v okamžiku přidání v do S; (a že) rovnost je pak zachována. [dokazuje se na u jako prvním vrcholu, pro který to neplatí, na cestě je pak nějaké y z V\S (stejně jako u), kde přes d[y] = δ(s, y) ≤ δ(s, u) ≤ d[u], ale pak dostaneme rovnost, protože y není v S v okamžiku, kdy se tam dostává u (tj. spor s volbou u)] * (|V| - 1)-krát iteruje přes všechny hrany a každou relaxuje * iteruje přes všechny hrany a kontroluje, jestli graf neobsahuje dosažitelný negativní cyklus (ano → vrátí false) **Složitost** * inicializace O(n), relaxace hran O(m * n), kontrola na negativní cyklus O(m), ukončení O(1) * = O(m * n) **Korektnost** * ukáže se, že po skončení d[v] = δ(s, v) pro všechny v z V [dokazuje se indukcí po nejkratší s-v-cestě (vrcholy se na ní neopakují (→ nejvýše |V|-1 hran)) – d[v_i] se po i-té iteraci relaxaci už nemění (zrelaxuje se tedy celá cesta)] * (G_π je strom nejkratších cest) [nevím jak] * BF vrátí true, protože platí trojúhelníková nerovnost; (jinak) pokud obsahuje dosažitelný negativní cyklus, vrátí false == Hledání nejkratších cest mezi všemi vrcholy == * místo sčítání počítá minimum, místo násobení sčítá, čímž dostaneme algoritmus pro výpočet nejkratších cest * celé se to opakuje, dokud nedostaneme násobek alespoň n-1 * složitost: O(n^3 * log n) * využívá dynamického programování; (bez záporných cyklů – detekce na diagonále); princip: nejkratší cesta z a do b obsahuje nejkratší cesty mezi vrcholy, z nichž se skládá * 3 zanořené cykly {1..n} a vevnitř: d_ij^(k) ← min(d_ij^(k-1), d_ik^(k-1) + d_kj^(k-1)) * k = 0 jsou samotné váhy hran * společně s délkou nejkratších cest se stejným způsobem počítá i matice předchůdců * složitost: O(n^3) * vytvoří graf G', který má navíc nový vrchol s a hrany (s, v) s váhou 0 do všech vrcholů v – z tohoto vrcholu se pak spustí BF pro detekci záporného cyklu; pokud takový cyklus v grafu není, každá hrana (u, v) se převáhuje: w(u, v) + δ(s, u) − δ(s, v); z každého vrcholu se pak spustí Dijkstra. Výsledek se pak převáhuje zpět a uloží do matice * složitost: O(n^2 * log n + m * n) → pro řídké grafy efektivnější než FW === Kostry === * **Spanning Tree** (kostra) grafu G=(V,E) je podgraf T \subseteq G t.ž. V(T) = V(G) a T je strom. * **Minimum Spanning Tree (MST; minimální kostra)** grafu G je kostra M t.ž. w(M) \leq w(T) pro všechny kostry G. * w značí váhu kostry = součet vah jednotlivých hran Pravidla použitá při definici/důkazech: (viz slidy MA015) Pokud je //e// nejlehčí hrana přes nějaký řez //G//, pak e \in M. ⬇ Blue rule: Pro daný řez bez modrých hran vybereme neobarvenou hranu a obarvíme ji modře. Pokud je //e// nejtěžší hrana nějakého cyklu v //G//, pak e \notin M. ⬇ Red rule: Pro daný cyklus neobsahující žádnou červenou hranu vybereme maximální neobarvenou hranu a obarvíme ji na červeno. ^ algoritmus ^ složitost ^ | Borůvka | \mathcal{O}(m * \log n) | | Kruskal | \mathcal{O}(m * \log n) | | Jarník |\mathcal{O}(m * |DECREASE-KEY| + n * |EXTRACT-MIN|)| | Fredman-Tarjan (Jarník + Fibonacciho halda) |\mathcal{O}(m + n * \log n)| | Fredman-Tarjan (limit velikosti haldy) | \mathcal{O}(m * \beta (m, n)) | | Gabow et al. (F-T + packeting) | \mathcal{O}(m * \log \beta (m, n)) | * Budujeme modrý les. * umístí každý vrchol do samostatné množiny a utřídí hrany podle váhy do neklesající posloupnosti * prochází jednu hranu po druhé, pokud její vrcholy patří do různých množin, přidá hranu do kostry a množiny sloučí **Složitost** * použijeme strukturu Union-Find * inicializace O(n) a utřídění hran O(m * log m) * pro každou hranu provádíme dvě Find operace, které stojí O(log n), a eventuálně Union, který je rovněž v O(log n) * = O(m * log n) [protože m < n^2, tedy log m = O(log n)] **Korektnost** * kostra: K je podgraf souvislého grafu G, K nemá cyklu, protože je v jednom podstromu, ne ve dvou; je souvislý, jinak by algoritmus přidal první hranu, která spojuje dvě komponenty K * minimální: indukcí „množina hran F vybraná algoritmem je podmnožinou nějaké minimální kostry T“. Alg. vybere další hranu e, která není v T, tak T+e tvoří cyklus, který obsahuje hranu f, která není v F. Obě ale mají stejnou váhu, takže T-f+e je strom o stejné váze jako T, takže je to minimální kostra obsahující F+e a vlastnost opět platí * Budujeme modrý strom. * Začneme budovat strom z jednoho vrcholu a přidáme vždy nejlehčí odchozí hranu. **Algoritmus** * při inicializaci nastaví klíče vrcholů na nekonečno a rodiče na nil; r.key = 0 pro počáteční vrchol; naplní Q * vybírá z Q vrcholy s minimálním cenou, prochází jejich sousedy a do těch, do kterých se umí dostat z daného vrcholu levněji, nastaví nového rodiče a cenu **Složitost** * použijeme binární haldu * incializace O(n), pro všechny vrcholy odstranění z Q O(n * log n), procházení všech hran a snižování ceny O(m * log n) * = O(m * log n) * s fibonacciho haldou by šlo zlepšit na O(m + n * log n) díky amortizované O(1) složitosti snižování ceny **Korektnost** T je nějaká minimální kostra G a K je výstup Jarníkova algoritmu. K = T triviální. Pokud K != T, pak nechť e je první, která je v K, ale ne v T. V je množina vrcholů přidaných do K před e – pak jeden konec e je ve V, druhý ne. V T ale musí existovat cesta spojující oba konce – na této cestě se musí nacházet hrana f spojující vrchol ve V s vrcholem, který ve V ještě není. V okamžiku, kdy je e přidána ke K, mohla by být přidána i hrana f, pokud by vážila méně. Z jejího nepřidání plyne, že d[e] <= d[f]. V T je možné vyměnit hranu f za e – výsledný strom zůstane souvislý, obsahuje stejný počet hran a váha jeho hran se nezvýší. Tedy je rovněž minimální kostrou G. Opakováním tohoto postupu dojdeme k tomu, že K je rovno minimální kostře G. * Budujeme modré stromy ze všech vrcholů na ráz. * Na začátku vytvoříme ze všech vrcholů modré stromy. * V každé fázi vybereme pro každý strom nejlehčí odchozí hranu a přidáme ji ke stromu. (Spojíme propojené stromy.) * Končíme, pokud nám zbyl pouze jeden strom. **Složitost** * Počet komponent v prvním tahu: //n// * každá přidaná hrana spojí nejméně dvě komponenty * => nejvýš \log n fází * každá fáze zabere \mathcal{O}(m) (musíme projít přes všechny hrany) * celkem: \mathcal{O}(m * \log n) === Toky v sítích === **Flow network** ("toková síť") je čtveřice (G,s,t,c): * G=(V,E): orientovaný graf * s \in V: zdroj (source) * t \in V: stok (cíl); s \neq t * c: E \rightarrow R^{+}: funkce určující kapacity hran **Network flow** (tok v síti) je funkce f:E \rightarrow R^{+} splňující: * kapacitní podmínku (tok přes hranu je nezáporný a maximálně roven kapacitě hrany) * podmínku kontinuity (všechny vrchol krom //s// a //t// mají součet vstupních kapacit roven součtu výstupních) * Hodnota toku //f// je |f| = \sum_{(s,v) \in E}{f(s,v)} = \sum_{(w,t) \in E}{f(w,t)} * Problémem je hledání maximálního toku -- toku s maximální hodnotou. hodnota maximálního toku = kapacita minimálního řezu **Reziduální graf** * graf G_f = (V,E_f), kde pro každou hranu e = (u,v) \in E obsahuje E_f: * e = (u,v) pokud f(e) \textless c(e) * e^R = (v,u) pokud f(e) \textgreater 0 **Reziduální kapacita** c_f(e)=\begin{cases} c(e)-f(e) \mbox{ pokud } e \in E_f \\ f(e) \mbox{ pokud } e^R \in E_f \end{cases} **Augmentující cesta** Cesta z //s// do //t// v reziduálním grafu. **Augmentace toku** Upravíme tok na základě **bottleneck** kapacity augmentující cesty. * pro e hodnotu přičteme * pro e^R hodnotu odečteme ^ algoritmus ^ složitost ^ | Ford-Fulkerson |\mathcal{O}(nm * C) C -- nejvyšší kapacita| | Edmonds-Karp (FF + shortest aug. path) | \mathcal{O}(m^2n)| |Dinitz (saturate all s-t paths in G_f)|\mathcal{O}(mn^2)| |MPM (three indians)|\mathcal{O}(n^3)| |push-relabel|\mathcal{O}(mn^2)| Hledáme augmentujeme tok pomocí augmentujících cest dokud ještě síť nějakou augmentující cestu má. **Algoritmus** * reziduální kapacita – kolik dalšího toku se dá ještě hranou vést * nemusí skončit, pokud jsou **R**eálné kapacity; síť s racionálními kapacitami lze převést na síť s celočíselnými * alg: inicializuje toky na hranách na 0; dokud existuje zlepšující cesta, tak na ní zvýší tok o minimální společnou reziduální kapacitu (tj. o maximum) * + Edmonds-Karp (BFS po nenasycených hranách)/nejširší cesty (maximální reziduální kapacita)/zjemňování stupnice (upřednostňuje cesty s nejvyšším potenciálem pro zlepšení; filtr 2^i, postupně se snižuje) **Složitost** * inicializace O(m), každá iterace cyklu O(m) * Edmonds-Karp O(m * n) * zjemňování stupnice O(m^2 * log_2 C); C=SUMA[přes v z V] c(s, v) **Korektnost** * ukáže se, že kapacitní ohraničení a podmínka kontinuity zůstanou splněny * že na konci obdržím skutečně maximální tok – v reziduální síti už neexistuje cesta z s do t * pracuje s pseudotokem (nesplňuje podm. kontinuity = aktivní vrchol) a výškami vrcholů – tok se přesouvá od vyšších k nižším * pokud je možné protlačit nějaký tok od aktivního vrcholu k nižším, tak Push, jinak Relabel tohoto vrcholu * inicializace: výšky, aktivity, toky **Složitost** * nanejvýš 2n^2 počet relabel, 2nm saturujících push (přetlačování v reziduální síti), 4mn^2 nesaturujících push; push i relabel lze realizovat v konstatní složitosti * = O(n^2 * m) **Korektnost** V průběhu celého výpočtu platí: * výška vrcholu nikdy neklesá; * f je pseudotok a pokud kapacity jsou celočíselné, tak i f je; * pseudotok a výška jsou kompatibilní (tj. h(t) = 0, h(s) = n, pro hrany (v, w) platí h(v) <= h(w) + 1). Pokud alg. vrátí pseudotok, tak je to maximální tok. → * Push respektuje kapacitní ohraničení hrany a do reziduálního grafu přidá hranu, která nemusí splňovat výškový rozdíl * Relabel zvyšuje výšku vrcholu v právě když v reziduální síti nevede z v do žádného vrcholu s menší výškou ===== Předměty ===== * [[https://is.muni.cz/auth/predmet/fi/MA010|MA010 Graph Theory]] * [[https://is.muni.cz/auth/predmet/fi/MA015|MA015 Graph Algorithms]] ===== Související otázky ===== * [[mgr-szz:in-tei:5-tei]] ~~DISCUSSION~~