Четверг, 22.10.2020, 06:28
Ш  К  О  Л  А     П  И  Ф  А  Г  О  Р  А
      Предмет математики настолько серьезен, что нужно
не упускать случая, сделать его немного занимательным".
                                                                           Блез Паскаль
Главная | Регистрация | Вход Приветствую Вас Гость | RSS
ПАМЯТКИ ПО МАТЕМАТИКЕ   ВЕЛИКИЕ МАТЕМАТИКИ   ТЕОРИЯ ЧИСЕЛ   МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА
УРОКИ МАТЕМАТИКИ В ШКОЛЕ


МАТЕМАТИЧЕСКАЯ КЛАДОВАЯ


В МИРЕ ЗАДАЧ
ЕГЭ ПО МАТЕМАТИКЕ
МАТЕМАТИКА В НАЧАЛЬНОЙ ШКОЛЕ
ВАРИ, КОТЕЛОК!
УДИВИТЕЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА
ВЫСШАЯ МАТЕМАТИКА
В МИРЕ ИНТЕРЕСНОГО
Категории раздела
ПРОСТЫЕ ЧИСЛА. ДОЛГАЯ ДОРОГА К БЕСКОНЕЧНОСТИ [37]
КОГДА ПРЯМЫЕ ИСКРИВЛЯЮТСЯ. НЕЕВКЛИДОВЫ ГЕОМЕТРИИ [23]
МУЗЫКА СФЕР. АСТРОНОМИЯ И МАТЕМАТИКА [57]
МАГИЯ ЧИСЕЛ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МЫСЛЬ ОТ ПИФАГОРА ДО НАШИХ ДНЕЙ [27]
ИНВЕРСИЯ [20]
ИСТИНА В ПРЕДЕЛЕ. АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНО МАЛЫХ [47]
БЕСКОНЕЧНОСТЬ В МАТЕМАТИКЕ [43]
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА И ЕЕ ПАРАДОКСЫ [6]
ИЗМЕРЕНИЕ МИРА. КАЛЕНДАРИ, МЕРЫ ДЛИНЫ И МАТЕМАТИКА [33]
АБСОЛЮТНАЯ ТОЧНОСТЬ И ДРУГИЕ ИЛЛЮЗИИ. СЕКРЕТЫ СТАТИСТИКИ [31]
КОДИРОВАНИЕ И КРИПТОГРАФИЯ [47]
МАТЕМАТИКА В ЭКОНОМИКЕ [39]
ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И МАТЕМАТИКА [35]
ЧЕТВЕРТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ. ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ НАШ МИР ТЕНЬЮ ДРУГОЙ ВСЕЛЕННОЙ? [9]
ТВОРЧЕСТВО В МАТЕМАТИКЕ [44]
ЗАГАДКА ФЕРМА. ТРЕХВЕКОВОЙ ВЫЗОВ МАТЕМАТИКЕ [30]
ТАЙНАЯ ЖИЗНЬ ЧИСЕЛ. ЛЮБОПЫТНЫЕ РАЗДЕЛЫ МАТЕМАТИКИ [95]
АЛГОРИТМЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ [17]
КАРТОГРАФИЯ И МАТЕМАТИКА [38]
ПОЭЗИЯ ЧИСЕЛ. ПРЕКРАСНОЕ И МАТЕМАТИКА [23]
ТЕОРИЯ ГРАФОВ [33]
НАУКА О ПЕРСПЕКТИВЕ [29]
ЧИСЛА - ОСНОВА ГАРМОНИИ. МУЗЫКА И МАТЕМАТИКА [15]
Статистика

Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей: 0
Форма входа

Главная » Файлы » МИР МАТЕМАТИКИ » ТЕОРИЯ ГРАФОВ

Другие геометрические задачи с графами
20.01.2016, 18:39
Помимо формулы Эйлера и ее удивительных следствий, существует множество других областей геометрии, где теория графов представляет особый интерес. Далее мы приведем несколько примеров.

Гамильтоновы циклы в многогранниках

Мы уже рассказали о том, что Гамильтон впервые представил цепи, которые сегодня носят его имя, в игре, где нужно было обойти по разу все вершины додекаэдра. (Напомним, гамильтоновы цепи — это пути в графе, которые проходят через все его вершины ровно по одному разу.) Именно поэтому позднее были предприняты попытки найти гамильтоновы цепи во всех возможных многогранниках либо показать, что они не существуют. На следующих рисунках представлены так называемый граф Гершеля и граф Петерсена — два примера графов, в которых не существует гамильтоновых цепей. Попробуйте убедиться в этом самостоятельно, проведя карандашом линию, проходящую через все вершины этих графов ровно один раз.



Перейдем в трехмерное пространство. Следуя по пути Гарольда Коксетера, попробуем отыскать гамильтоновы цепи в других многогранниках. Коксетер весьма хитроумным способом решил эту задачу для ромбододекаэдра.

Все грани ромбододекаэдра равны, но в его вершинах сходится разное число ребер, поэтому он не является правильным многогранником.



Этот любопытный многогранник, представленный на рисунке, в соответствии с названием, имеет 12 равных граней, которые являются параллелограммами, и обладает интересным свойством: в восьми его вершинах сходится по три ребра (такие вершины обозначены кругами белого цвета), в оставшихся шести вершинах сходится по четыре ребра (такие вершины обозначены кругами черного цвета). Заметьте, что вершины, выделенные белым цветом, являются вершинами воображаемого куба. Следовательно, ромбододекаэдр можно считать кубом, дополненным шестью пирамидами, в основаниях которых находятся квадраты. Его объем равен удвоенному объему вписанного куба. Ромбододекаэдрами, так же как и кубами, можно заполнить пространство — получится мозаика в трехмерном пространстве.

Существует ли гамильтонова цепь в ромбододекаэдре? Коксетер отвечает на этот вопрос решительным «нет», приводя гениальное доказательство: если бы в ромбододекаэдре существовала гамильтонова цепь, которая бы начиналась и заканчивалась в одной из его вершин, то она проходила бы через 14 вершин по одному разу, причем каждый раз цвет вершин чередовался (с черного на белый или с белого на черный). Такое чередование цветов невозможно, так как в черный цвет окрашено шесть вершин, а в белый — восемь.

* * *

ГАРОЛЬД КОКСЕТЕР (1907–2003)

Гарольд Скотт Макдональд Коксетер родился в Лондоне, изучал математику в Тринити-колледже Кембриджа, но вся его научная карьера прошла в Канаде, в Торонтском университете, где он проработал 60 лет. Его считают одним из величайших геометров XX века, он является автором 12 важных трудов и множества работ, выполненных в соавторстве с другими блестящими геометрами. Он внес неизмеримый вклад в изучение многогранников, в частности многогранников, расположенных в пространстве, имеющем более трех измерений. Коксетер дружил со знаменитым голландским художником М. Эшером, который отразил в своих картинах множество свойств, открытых Коксетером.

* * *

Графы на неплоских поверхностях

Хотя графы обычно изображаются на плоскости, задачи о раскраске графов и анализ их планарности стимулировали изучение графов, расположенных на других поверхностях: сферах, торах, цилиндрах и так далее. Графы также изображаются в трехмерном пространстве, как, например, при решении задач теории узлов.

Анализ графов на различных поверхностях помог определить множество топологических свойств, которые являются инвариантными относительно непрерывных деформаций и лежат в основе классификации кривых и поверхностей. Представим надутый шарик, на поверхности которого фломастером нарисован граф. Если мы будем сминать шарик (но так, чтобы он не лопнул), то заметим, что свойства графа будут оставаться неизменными (число вершин, ребер; число ребер, инцидентных каждой вершине, и другие свойства).

Еще один любопытный пример — граф, построенный на ленте Мёбиуса. Если даны четыре точки на плоскости и мы хотим построить плоский граф, соединяющий каждую точку с остальными тремя, у нас не возникнет затруднений при решении этой задачи. Для этого нужно расположить четыре точки в вершинах четырехугольника, соединить две противоположные точки диагональю, остальные две — линией, проходящей вне четырехугольника. Однако соединить каждую из пяти точек с остальными четырьмя уже не получится, так как появятся нежелательные пересечения ребер (напомним, граф К5 не является плоским).

Чтобы построить модель ленты Мёбиуса, нужно взять вытянутую прямоугольную полоску бумаги и склеить ее края, предварительно повернув один из них. Если не поворачивать один из краев перед склеиванием, получится обычный цилиндр. Благодаря своей особой форме лента Мёбиуса обладает интересным свойством: она имеет только одну сторону. Цилиндр делит пространство на две части, внутреннюю и внешнюю, но с лентой Мёбиуса этого не происходит: у нее всего одна сторона.

Можно ли построить на ней такой граф с пятью вершинами, чтобы каждая из них соединялась с четырьмя другими? На следующем рисунке Мигеля де Гузмана показано, что эта задача не имеет решения на плоскости, но решаема на ленте Мёбиуса.

Мигель де Гузман всегда считал, что игры и головоломки составляют основу математики.



Обозначим пять точек ABCDE на ленте Мёбиуса так, чтобы получился четырехугольник ABCD, а точка Е располагалась в его центре. Таким образом, ее сразу можно соединить с четырьмя другими точками. На ленте (у которой всего одна сторона!) можно провести линию из точки В в точку D и из точки А в точку С, как показано на рисунке выше. Все пять точек окажутся соединены между собой согласно условию задачи.


Конечные геометрии

Представьте себе плантацию, где в несколько рядов высажены деревья или другие растения. Очевидно, что их можно представить в виде графа, имеющего множество изолированных вершин, не соединенных ребрами. Предположим, что мы хотим составить схему полетов небольшого самолета, который будет опрыскивать посадки, или же возможный маршрут сбора плодов. Такой маршрут укажут ребра графа.

Множество задач подстегнули интерес к конечным геометриям — геометрическим системам, имеющим конечное количество точек и линий, которые представляют собой некие совокупности этих точек.



На предыдущем рисунке с помощью графа представлена конечная геометрия, имеющая пять точек 1, 2, 3, 4, 5 и следующие «линии», образованные точками: {1, 2}, {1, 3}, {1, 4}, {1, 5}, {2, 5}, {3, 4, 5}. Как можно видеть из этого примера, связь между графами и конечными геометриями очевидна.

Подобно тому как в традиционной геометрии с бесконечным множеством точек и линий можно сформулировать ряд аксиом, подобных аксиомам Евклида, так и в конечной геометрии можно ввести различные аксиомы и говорить о пересечениях (общих точках) и параллельных линиях (линиях без общих точек).

Рассмотрим пример системы аксиом конечной геометрии.

I. Существует пять точек и две линии.

II. Каждая линия содержит минимум две точки.

III. Каждая линия содержит не более трех точек.

В соответствии с этими правилами можно описать возможные расположения точек и линий. Вместо того чтобы описывать полученные множества символами и словами, их можно представить намного проще. Для этого нужно построить все возможные графы с пятью вершинами и соответствующими ребрами. На следующем рисунке представлены все возможные варианты.



Чтобы оценить практическое значение этого примера, представьте, что точки — члены дирекции объединения, линии — комитеты, образованные двумя или тремя членами дирекции. Переформулируем вышеприведенные аксиомы в категориях директоров и комитетов.

I. Существует пять человек и два комитета.

II. Каждый комитет содержит минимум двух членов.

III. Каждый комитет содержит не более трех членов.

Очевидно, что этот пример можно усложнить, добавив новые точки и линии.

* * *

КЛАССИФИКАЦИИ И ИЕРАРХИИ

В классической геометрии особое внимание уделяется классификации фигур (например, по количеству сторон в них). Задачи о классификации становятся все более важными в самых разных областях: можно говорить о классификации фигур с помощью компьютерного зрения, классификации генов, симптомов болезней и так далее. Задачи о классификации появляются в сфере информационной безопасности (цифровые отпечатки пальцев, радужной оболочки глаза, распознавание голоса), на производстве, где при контроле качества бракованные детали автоматически определяются и исключаются из производственной цепочки, и в других областях.

Если речь идет о конечных множествах, то отношение всегда задается множеством пар элементов. Отношения можно изображать в виде диаграмм или графов, вершины которых будут соответствовать элементам множества, ребра — отношениям между ними. Отношения, на основе которых можно сформировать классификацию, называются отношениями эквивалентности. Они обладают следующими свойствами:

— рефлексивностью (каждый элемент эквивалентен сам себе);

— симметричностью (если а связано с b, то b связано с а);

— транзитивностью (если а связано с b и b связано с с, то а связано с с).

Граф, включающий подобные отношения, должен наглядно отражать эти свойства.

Еще один тип отношений — это отношения порядка, которые используются для упорядочивания элементов и обладают свойствами рефлексивности, транзитивности и антисимметричности (если а связано с b и связано с а, то а = Ь). Графы, соответствующие отношениям порядка на конечных множествах, могут быть ориентированными (дуги будут указывать, какой из двух соединенных ими элементов меньше) или неориентированными (в этом случае элементы будут расположены по порядку снизу вверх). Интерес также представляют иерархические процессы, в которых необходимо определять приоритеты и порядок выполнения определенных работ (инвестиции, строительство, предоставление коммунальных услуг и так далее). Во всех этих областях теория графов помогает понять проблему и упростить ее решение.

Категория: ТЕОРИЯ ГРАФОВ | Добавил: admin | Теги: ИТК и мате, Мир Математики, искусственный интеллект, машинное обучение, популярная математик, математика и информатик, дидактический материал по матем
Просмотров: 571 | Загрузок: 0 | Рейтинг: 0.0/0
УЧИТЕЛЮ ИНФОРМАТИКИ
КОНСПЕКТЫ УРОКОВ
ВНЕКЛАССНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИНФОРМАТИКЕ
ПОСОБИЯ И МЕТОДИЧКИ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ ИНФОРМАТИКИ
ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ УЧИТЕЛЯ ИНФОРМАТИКИ
ЗАДАНИЯ ШКОЛЬНОЙ ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ


ИНФОРМАТИКА В ШКОЛЕ


ИНФОРМАТИКА В НАЧАЛЬНЫХ КЛАССАХ
ИНФОРМАТИКА В 3 КЛАССЕ
ИНФОРМАТИКА В 4 КЛАССЕ
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ. 3 КЛАСС
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ. 4 КЛАСС
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ДЛЯ ДЕТЕЙ
СКАЗКА "ПРИКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОШИ"
ИГРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА УРОКАХ ИНФОРМАТИКИ
ВИКТОРИНЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ЧАСТУШКИ
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Поиск


Друзья сайта
  • Создать сайт
  • Все для веб-мастера
  • Программы для всех
  • Мир развлечений
  • Лучшие сайты Рунета
  • Кулинарные рецепты

  • Copyright MyCorp © 2020
    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru