книги из ГПНТБ / Басакер Р. Конечные графы и сети
.pdfР, БАСАКЕР, Т. СААТИ
КОНЕЧНЫЕ ГРАФЫ И СЕТИ
П е р е в о д с английского
В. I-I. Б У Р К О В А , С. Е. Л О В Е Ц К О Г О , В. Б. С О К О Л О В А
По д редакцией
А.И. Т Е И М А Н А
ИЗДАТЕЛЬСТВО сНАУКАэ ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ М о с к в а 1 9 7 4
6Ф6.5
Б27
УД К 62-50
Конечные графы н сети, Б а с а к е р Р., С а а т л Т., перевод с английского, Главная редакция физико-математической литературы нзд-ва «Наука», Москва, 1973, 363 стр.
Монография известных американских специалистов по исследованию опе рации посвящена теоретическим и прикладным вопросам теории графов. Книга состоит из двух частей В первой части рассматриваются основные понятия и проблемы теории графов Во второй части книги приводится множество ин тересных приложении теории графов в различных областях науки и техники, таких, как экономика, исследование операций, кибернетика, теория игр, лингви стика, передача данных н др. Книга снабжена подробной библиографией, уп ражнениями н ответами к ним.
Монография рассчитана на математиков, специалистов по исследованию операции, инженеров, научных работников и аспирантов, занимающихся теоре тическими и прикладными вопросами теории графов.
Илл. 175. Библ. 233 назв.
FINITE GRAPHS AND NETWORKS:
A n Introduction |
with Applications |
Robert G. Busacker & Thomas L. Saaty |
|
Research Analysis |
U, S. Arms Control |
Corporation |
and Disarmament |
|
Agency |
Mc GrawHill |
Book Company |
New York — St. Louis — San Francisco Toronto
London — Sydney
|
Перевод па |
русский язык. Издательство «Наука», 1974 |
|
Б |
3314—1853 |
162-73 |
|
042(02)-73 |
|||
|
|
О Г Л А В Л Е Н И Е
От редактора перевода Предисловие
ЧА С Т Ь 1
ОС Н О В Ы Т Е О Р И И
Г л а в а 1. Основные понятия: неориентированные графы
1.1.Введение
1.2.Геометрические графы
1.3.Абстрактные графы
1.4.Изоморфизмы н реализации
1.5.Термины, описывающие локальные свойства
1.6.Маршруты, цепи и циклы
1.7.Связность
1.8.Деревья и леса
1.9.Разделяющие множества и разрезы
1.10.Некоторые специальные классы графов Литература
Г л а в а 2. Основные понятия: ориентированные графы
2.1.Введение
2.2.Ориентированные графы
2.3.Термины для описания локальной структуры
2.4. Ориентированные маршруты, пути и контуры .
2.5.Сильная связность
2.6.Деревья и разрезы
2.7. Ориентированные графы и бинарные отношения
Г л а в а 3. Разбиения и расстояния на графах .
3.1.Введение
3.2.Разбиения ребер
3.3.Разбиения дуг
3.4.Гамнльтоновы цени и циклы
3.5.Разбиения вершин
3.6.Радиус и диаметр
3 7 Задачи о минимальных расстояниях Литература .
4 |
|
|
|
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ, |
|
|
|
|
||||
Г л а в а |
4. Плоские и неплоские графы. Теорема о раскраске |
90 |
|||||||||||||
4.1. |
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
|
4.2. |
Плоские |
|
графы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
91 |
||
4.3. |
Дополнительный |
граф |
|
|
|
|
|
|
|
108 |
|||||
4.4. |
Раскраска ребер |
графа |
|
|
|
|
|
|
|
112 |
|||||
4.5. |
Раскраска граней н вершин. Задача о четырех красках |
115 |
|||||||||||||
4.6. |
Графы |
и |
поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
127 |
||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
133 |
|
Г л а в а |
5. Матричное |
представление |
графов |
|
|
136 |
|||||||||
5.1. |
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
136 |
|
5.2. |
Матрица |
пнцнденцпн |
|
|
|
|
|
|
|
139 |
|||||
5.3. |
Матрица |
циклов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
143 |
|||
5.4. |
Матрица |
разрезов |
|
|
|
|
|
|
|
|
144 |
||||
5.5. |
Матрица |
смежности |
вершин |
|
|
|
|
|
149 |
||||||
5.6. |
Матрица |
путей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
157 |
|||
5.7. |
Реализуемость |
матриц |
циклов |
и разрезов . . . . |
158 |
||||||||||
5.8. |
Матрица |
графов |
и комбинаторная |
топология . . . |
1Ь1 |
||||||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
164 |
|
|
|
|
|
|
|
Ч А С Т Ь |
и . |
|
|
|
|
|
|
||
|
П Р И Л О Ж Е Н И Я |
Т Е О Р И И |
|
ГРАФОВ |
|
|
|||||||||
Г л а в а |
6. Прикладные задачи теории графов |
|
|
'66 |
|||||||||||
6.1. |
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
166 |
|
П р и л о ж е н и я к э к о н о м и к е и |
и с с л е д о в а н и ю |
|
|||||||||||||
о п е р а ц и й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'Vj, |
|
6.2. Экономика |
и |
снабжение |
|
|
|
|
|
|
1°7 |
||||||
6.3. |
Линейное |
программирование |
и |
потоки в |
сетях |
. . |
172 |
||||||||
6.4. |
Задачи |
типа |
П Е Р Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
173 |
|||
К о м б и н а т о р н ы е |
з а д а ч и |
|
|
|
|
|
'83 |
||||||||
6.5. |
Примеры |
комбинаторных задач |
в теории |
графов . . |
'83 |
||||||||||
6.6. |
Минимальное |
число |
аварий |
на |
кирпичном |
заводе . . |
197 |
||||||||
6.7. |
Минимальное |
число |
пересечений |
в полных |
графах . . |
202 |
|||||||||
Г о л о в о л о м к и |
и и г р ы |
|
|
|
|
|
. |
205 |
|||||||
6.8. |
Задача |
соединения |
раскрашенных |
кубов |
. . . . |
205 |
|||||||||
6.9. Задачи изменения состояний системы |
|
|
207 |
||||||||||||
6.10. |
Матричная |
форма |
задачи |
о |
переправе . . . . |
213 |
|||||||||
6.11. |
Задача |
деления |
треугольника |
|
|
|
|
|
219 |
||||||
6.12. |
Игра |
двух |
лиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
220 |
|||
6.13. |
Игры на шахматной доске |
|
|
|
|
|
|
224 |
|||||||
П а р о с о ч е т а н и я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
226 |
|||||
6.14. |
Максимальные |
паросочетания |
|
|
|
|
226 |
||||||||
Т е х н и ч е с к и е п р и л о ж е н и я |
|
|
|
|
|
238 |
|||||||||
6.15. |
Анализ |
технических |
систем |
|
|
|
|
|
238 |
||||||
6.16. |
Сети |
связи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
244 |
||
6.17. |
Граф |
потока |
сигналов |
|
|
|
|
|
|
248 |
|||||
6.18. |
Переключательные |
сети (схемы) |
|
|
|
254 |
|||||||||
6.19. |
Объединение |
электростанций |
|
в |
энергосистему |
. . |
257 |
||||||||
6.20. |
Печатные схемы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
258 |
|
|
|
|
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|
|
|
|
5 |
|||
Е с т е с т в е н н ы е |
н а у к и |
|
|
|
|
|
|
|
260 |
||||||||
6.21. |
Идентификация |
в |
химии |
|
|
|
|
|
|
2о0 |
|||||||
6.22. |
Простая |
модель |
из |
органической |
химии . . . . |
|
265 |
||||||||||
6.23. |
Д в а примера |
из |
статистической |
механики |
. . . |
238 |
|||||||||||
6.24. |
Генетическая |
задача |
|
|
|
|
|
|
|
|
270 |
||||||
З а д а ч и и з у ч е н и я |
ч е л о в е к а |
и о б щ е с т в а |
, |
272 |
|||||||||||||
6.25. |
Графы |
и |
кибернетика |
|
|
|
|
|
|
|
272 |
||||||
6.26. |
Применения |
в социологии . |
|
|
|
|
|
|
277 |
||||||||
6.27. |
Математические |
модели |
разоружения |
. . . . |
|
281 |
|||||||||||
6.28. |
Лингвистика |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
284 |
||||
Литература |
к |
разделу |
6.28 |
|
|
|
|
|
|
|
2S9 |
||||||
Д о п о л н и т е л ь н ы е |
|
п р и л о ж е н и я . . . . |
|
289 |
|||||||||||||
6.29. |
Математические |
машины и цепи |
Маркова |
. . . |
289 |
||||||||||||
6.30. Группы и обыкновенные графы |
|
|
|
|
|
295 |
|||||||||||
6.31. |
Построение деревьев минимальной общей длины |
. |
297 |
||||||||||||||
6.32. |
Графы |
|
и |
собственные |
значения |
неотрицательных |
|
||||||||||
|
матриц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
298 |
|
6.33. |
Задача |
ранжирования |
|
|
|
|
|
|
|
3d0 |
|||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
304 |
||
Г л а в а |
7. |
Потоки |
в сетях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
309 |
|||
7.1. |
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
309 |
||
7.2. |
Основная |
терминология |
|
|
|
|
'. . . . |
309 |
|||||||||
7.3. |
Отношения между потоками и операции над |
ними . |
313 |
||||||||||||||
7.4. |
Простые |
|
потоки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
314 |
|||
7.5. |
Д р у г о е |
представление |
потока . |
• |
|
|
|
|
315 |
||||||||
7.6. |
Потоки с ограничениями па дугах |
|
|
|
|
|
31g |
||||||||||
7.7. |
Максимальный |
поток |
в |
транспортной |
|
сети |
. . . |
325 |
|||||||||
7.8. Максимальные |
потоки |
в |
сетях общего |
|
вида с |
ограни |
|
||||||||||
|
ченными |
пропускными |
способностями дуг . . . . |
|
327 |
||||||||||||
7.9. |
Потоки |
минимальной |
стоимости |
|
|
|
|
|
|
332 |
|||||||
7.10. |
Некоторые |
специальные |
задачи |
о |
потоках . . . |
333 |
|||||||||||
7.11. Задачи о миогопродуктовых потоках |
|
|
|
|
340 |
||||||||||||
7.12. |
Стохастические потоки |
в сетях |
|
|
|
|
|
343 |
|||||||||
Литература |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 4 6 |
||
Ответы |
к |
упражнениям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34д |
||||
Краткий |
|
терминологический |
|
словарь |
. |
• |
|
|
|
|
gg2 |
1
ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Книга Басакера н Саатн «Конечные графы и сети» рассчитана на лиц, занимающихся использованием тео рии графов при решении различных задач в области тех ники, экономики, социологии. Она содержит основные понятия теории графов, достаточно полный перечень научных результатов и описание методов решения раз
личных |
задач . |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Д л я |
лучшего понимания |
и усвоения |
материала в кни |
||||||
ге приводится большое число примеров, |
а т а к ж е |
имеются |
||||||||
учебные |
упражнения . |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Следует заметить, что книга в целом написана не вез |
|||||||||
де |
ровно и наряду |
с элементарными сведениями |
приво |
|||||||
дятся данные, требующие ог читателя солидной |
матема |
|||||||||
тической подготовки. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Перевод |
книги представлял известные |
трудности. В |
|||||||
русской |
литературе |
до настоящего |
времени |
отсутствует |
||||||
единая |
терминология по теории графов, и |
переводчикам |
||||||||
в |
процессе |
работы |
над |
книгой |
пришлось |
приложить |
||||
много труда |
при выборе терминов. Дополнительные труд |
ности возникли в связи с тем, что терминология авторов далеко не бесспорна.
В процессе перевода поддерживался контакт с авто рами, что позволило уточнить ряд мест. Кроме того, ис
правлены имевшиеся в оригинале неточности |
и опе |
чатки. |
|
Несмотря на то, что с момента выхода книги |
на анг |
лийском языке прошло относительно длительное время, можно надеяться, что ее русское издание окажется полез ным д л я широкого круга лиц, занимающихся при кладными математическими вопросами, инженеров и экономистов.
А.Тейман
ПР Е Д И С Л О В И Е
Теория графов дает простой, доступный и мощный инструмент построения моделей и решения задач
упорядочения |
объектов. В |
настоящее |
время суще |
||
ствует множество |
проблем, |
где требуется |
построить |
||
некоторые сложные |
системы |
с помощью |
определенного |
||
упорядочения их элементов. Сюда относятся |
календарное |
||||
планирование |
промышленного |
производства, |
задачи те |
ории сетевого планирования и управления ( С П У ) , такти ческие и логические задачи, проблемы построения систем связи и исследования процессов передачи информации, выбор оптимальных маршрутов и потоков в сетях, методы
построения электрических сетей, |
задачи идентификации |
в органической химии и способы |
построения переключа |
тельных схем. Таким ж е являются большой круг эконо мических задач, проблемы выбора структуры социальных групп, игровые задачи и головоломки и т. д. Таким обра зом, область возможных применений теории графов очень широка. Комбинаторные методы нахождения нужного упорядочения объектов существенно отличаются от клас сических методов анализа поведения систем с помощью уравнений. Кроме языка теории графов задачи упорядо чения объектов можно формулировать в терминах теории матриц с элементами ноль — один, или в терминах тео рии конечных множеств.
Однако с полным основанием можно сказать, что теория графов является одним из простейших и наиболее элегантных разделов современной математики с широкой областью применения. И м е я в своей основе простейшие идеи и элементы: точки, соединенные линиями, теория графов строит из них богатое многоообразие форм, наде ляет эти формы интересными свойствами и в результате
8 ПРЕДИСЛОВИЕ
становится полезным инструментом при исследовании са мых разнообразных систем. Кроме того, теория графов внесла большой вклад в разработку методов а н а л и з а ши рокого круга комбинаторных проблем.
Вместо понятия графа часто используется понятие «сеть». Это особенно относится к случаям, когда кроме основных чисто структурных соотношений в графе зада ются некоторые количественные характеристики точек и линий, образующих граф . В качестве примера можно назвать электрические сети, сети выполнения работ в про ектах, сети потоков. При этом ребрам сети ставятся в со
ответствие определенные |
количественные |
характеристик;! |
||||
энергии, затрат и потока. |
|
|
|
|
|
|
Д а н н а я книга рассчитана |
на |
преподавателей, работа |
||||
ющих со |
студентами выпускных |
курсов |
и |
аспирантами |
||
первого |
года обучения |
по |
специальности |
математика, |
естественные и общественные науки, технические науки, экономика и исследование операций. Как показал опыт практической работы со студентами, книга дает доста точно широкое общее представление о теории графов и разнообразных сферах ее применения и стимулирует развитие творческой активности учащихся. Материал книги является развитием курса, читавшегося в течение
нескольких лет аспирантам |
университета |
Д ж о р д ж а |
Ва |
||||
шингтона и студентам некоторых зарубежных |
учебных |
||||||
заведений. |
|
|
|
|
|
|
|
Нам |
кажется, |
что любой человек, |
который |
готовит |
|||
себя к работе в области науки или техники, должен |
поз |
||||||
накомиться хотя бы с основами теории графов, |
так |
как |
|||||
эта теория является фундаментальной |
по |
своей |
природе |
||||
и имеет |
широкую |
область |
применения. |
Одна |
из целей |
настоящей книги состоит как раз в том, чтобы обеспечить такое знакомство. Книгу можно рассматривать как ввод ный курс в теорию графов, или как пособие для само стоятельной работы. В использованной литературе имеет ся много статей, посвященных разнообразным частным проблемам, но они, конечно, не являются исчерпыва ющими.
Материал книги преподносится в форме неформально го обсуждения основных идей. Четкость обсуждения уси ливается за счет их иллюстрации разнообразными при ложениями . Мы надеемся, что такой способ изложения