Карты метро и нейронные сети. Теория графов
Шрифт:
В следующих главах этой книги вы узнаете, как графы используются в телекоммуникациях, в интернете, при планировании затрат, уборке улиц, доставке, сборе почты, в урбанистике, при планировке квартир и так далее. Графы, составленные специалистами, определяют наше качество жизни: они применяются при уборке улиц, позволяют найти кратчайший путь из одной точки города в другую, спланировать вывоз мусора. Благодаря им дома становятся комфортными, а города — удобными для жизни.
* * *
ГРАФЫ И ИСКУССТВО
С рождением абстрактного искусства художники и скульпторы начали постепенно переходить от изображения людей, предметов и пейзажей к анализу форм и цветов, представляющих формальные абстрактные связи между вещами и явлениями. Произошла смена парадигмы: идеал эпохи Возрождения, где картина являла собой окно в реальный мир, сменился сюрреалистичным представлением: «картину создает зритель». Начиная с работ, например, Василия Кандинского (1866–1944) и Тео ван Дусбурга (1883–1931), имевших большое влияние, основные цвета и базовые геометрические фигуры начали набирать силу в искусстве, пробуждая эмоции, изображая красоту, при этом не отражая реальность. Точки и линии (и снова графы!) стали основными элементами искусства.
«Диссонансная контркомпозиция № 16» Тео ван Дусбурга.
Глава 2
Графы и цвета
Иллинойс зеленый, а Индиана розовая… Я сам видел на карте, что она розовая.
Марк Твен
В этой главе мы приглашаем читателя подумать над одной задачей теории графов, которая кажется очень простой. Это задача о раскраске карт. Вы увидите, как одна занимательная задача иногда может вызвать подлинный прорыв в науке.
Большинство географических карт можно интерпретировать как графы, вершинами которых являются точки, где сходятся три линии и более, а ребрами — границы стран и территорий. Составители карт пытались раскрасить их так, чтобы разные страны и территории были окрашены в разные цвета. Учитывая число стран и ограниченное количество цветов, которые использовались при цветной печати, требовалось раскрасить карты так, чтобы в разные цвета были окрашены только страны с общими границами. Естественно, возник вопрос: какое минимальное число цветов необходимо, чтобы все страны с общими границами были окрашены в разные цвета? (Подразумевается, что точка не является границей.) Так как существует множество различных карт (карты стран, регионов, промышленных районов и так далее), то очевидно, что задачу нужно сформулировать в общем виде с помощью графов. Иными словами, нужно рассматривать карты, описывающие произвольный плоский граф.
Сначала обратимся к следующим фигурам. Для раскраски каждой из них в соответствии с заданными правилами требуется 1, 2, 3 и 4 цвета соответственно.
Заметим, что если мы также захотим раскрасить и внешнюю область, то нам понадобится соответственно 2, 3, 4 и… снова 4 цвета.
Следующие фигуры более сложны.
Сразу же становится понятно, что для их раскраски достаточно четырех цветов.
Обратите внимание, что в обоих случаях внешнюю область также можно раскрасить одним из этих четырех цветов (определите, каким именно). Разумеется, решение задачи о раскраске графа не изменится, если мы заменим исходный граф изоморфным ему.
Как выглядят карты (плоские графы), для раскраски которых достаточно всего двух цветов? А трех цветов? Ответ на эти вопросы нетруден, и его можно найти довольно быстро. Обратимся к теореме о двух красках, которая гласит: «Карту можно раскрасить двумя цветами тогда и только тогда, когда в соответствующем ей графе все вершины имеют четную степень».
Любопытно, что если карту можно раскрасить двумя цветами, то все вершины соответствующего графа будут иметь четную степень. Если в нем будет хотя бы одна вершина с нечетной степенью, то как минимум одна грань графа будет граничить с двумя гранями и для раскраски понадобится уже три цвета. Чтобы доказать обратное утверждение, нужно выполнить несколько действий. Сначала докажем, что если мы проведем на плоскости n линий случайным образом, то полученную карту можно будет раскрасить всего двумя красками (вспомните, например, шахматную доску).
Используем метод доказательства по индукции, который заключается в том, что мы докажем это утверждение для n = 1 и посмотрим, будет ли верным это утверждение для n + 1, если оно верно для n.
При n = 1 (а) доказательство тривиально. Допустим, что это утверждение верно для n прямых (b), и рассмотрим карту, на которой изображена n + 1 прямая (с). Если мы удалим одну из линий, то получим карту из n прямых, которую можно раскрасить двумя цветами (верно по индукции). Следовательно, при добавлении (n + 1)-й прямой вверху (или справа) от добавленной прямой все цвета останутся без изменений, а с другой стороны от этой прямой все области изменят цвет на противоположный. Таким образом, карту из n + 1 прямой можно раскрасить всего двумя красками. С учетом соответствующих различий можно заметить, что любую карту из n окружностей, случайным образом распределенных на плоскости, также можно раскрасить двумя красками. И в случае с прямыми, и в случае с окружностями все вершины полученного графа будут иметь четную степень. В любом графе, вершины которого имеют четную степень, б'oльшую двух, при удалении цикла получится граф, вершины которого по-прежнему будут иметь четную степень. Как и все графы такого типа, его можно будет представить в виде прямых или окружностей. Теорема о двух красках доказана.
Применительно к задачам раскраски во многих случаях интерес представляют только графы, степень каждой вершины которых не превышает 3. Если одна из вершин графа имеет степень больше 3, то можно провести окружность С с центром в этой вершине, которая не будет касаться никакой другой вершины, затем удалить элементы графа внутри этой окружности и получить новый граф с вершинами степени 3, соответствующими пересечениям С и исходных ребер. Если мы раскрасим полученную карту, а затем удалим построенную окружность и вернемся к исходному графу, то задача будет решена, как показано на следующих рисунках. Таким образом, в задачах о раскраске графов иногда можно рассматривать только плоские графы, каждая вершина которых имеет степень 3.
Доказательство теоремы о трех красках сложнее, чем предыдущей, поэтому мы не будем приводить его здесь. Сама теорема звучит так:
«Плоский граф с вершинами степени 3 можно раскрасить тремя красками тогда и только тогда, когда все его грани ограничены четным числом ребер».
* * *
ОХРАННИКИ В МУЗЕЯХ И РАСКРАСКА ГРАФОВ
В 1973 году, анализируя задачу о расположении охранников в залах музея, Виктор Клее задался вопросом: если музей имеет форму многоугольника с n сторонами, какое количество охранников необходимо для того, чтобы они могли просматривать все стены, не двигаясь с места? На первом рисунке изображен выпуклый многоугольник, который легко просматривается одним охранником, стоящим в углу. Однако в случае с невыпуклым многоугольником, изображенным на следующем рисунке, одного охранника уже недостаточно. Ответ задачи таков: для многоугольника с n сторонами достаточно [n/3] охранников. (Знак [] обозначает целую часть отделения, то есть результат деления с отброшенными десятичными знаками.)
Любопытно, что в доказательстве используется граф, полученный триангуляцией зала музея (то есть разбиением многоугольника на треугольники). Вершины этого графа можно раскрасить тремя цветами так, что смежные вершины будут окрашены в разные цвета.
* * *
Итак, были открыты признаки графов, для раскраски которых достаточно двух или трех красок, и вскоре стало очевидно, что пяти цветов достаточно для раскраски любого графа. Однако оказалось очень сложно определить, достаточно ли четырех цветов для раскраски любого графа. В математике подобное случалось не раз: частный случай оказывался самым трудным.