Изменения

Перейти к: навигация, поиск

Обсуждение участника:AKhimulya

11 425 байт добавлено, 01:30, 25 ноября 2014
Нет описания правки
{{Определение|definition== Многопоточная сортировка слиянием ==Пусть дан фиксированный граф <tex>G</tex> и фиксированное число красок <tex>x</tex>. Количество способов правильной <tex>x</tex> — [[Раскраска графа|раскраски графа]] <tex>G</tex> называется '''хроматическим многочленом''' (англ. ''chromatic polynomial''). Обозначение: <tex>P(G,x)</tex>.}}
Благодаря тому== Рекуррентные формулы для хроматических многочленов =={{Определение|definition='''Стягивание ребра''' (англ. ''edge contraction'') — замена концов ребра одной вершиной, что сортировка слиянием построена на принципе "Разделяй и властвуй", выполнение данного алгоритма можно весьма эффективно распараллелитьсоседями новой вершины становятся соседи этих концов. Теоретически можно достичь много лучшей асимптотикиБудем обозначать за <tex>G/uv</tex> граф, однако на практике полученный из-за огранечений по количеству потоков, которые могут выполняться независимо друг от друга, вычислительная сложность уменьшается на константуграфа <tex>G</tex> стягиванием ребра <tex>uv</tex>.}}{{Теорема|statement=Пусть <tex>u</tex> и <tex>v</tex> - несмежные вершины графа <tex>G</tex>. Если <tex>G_1=G\cup uv</tex>, а <tex>G_2=Алгоритм со слиянием за G/uv</tex>, то <mathtex>\OmegaP(G,x)=P(G_1,x)+P(nG_2,x)</mathtex>==.|proof=Внесем Рассмотрим все произвольные раскраски графа <tex>G</tex>. Рассмотрим те из них, при которых вершины <tex>u</tex> и <tex>v</tex> окрашены в алгоритм сортировки разные цвета. Если добавить к графу <tex>G</tex> ребро <tex>uv</tex>, то они не изменятся, то есть останутся правильными. Рассмотрим раскраски, при которых <tex>u</tex> и <tex>v</tex> одного цвета. Все эти раскраски останутся правильными и для графа, полученного из <tex>G</tex> слиянием следующую модификациювершин <tex>u</tex> и <tex>v</tex>.}}'''Замечание: будем сортировать левую и правую части массива параллельно'''Если к некоторому произвольному графу добавлять ребра последовательно, не меняя его вершин, то на каком-то шаге мы получим полный граф. Аналогично мы получим полный граф, если в произвольном графе уменьшим число вершин, путем их отождествления, не меняя числа ребер.
mergeSortMT(array, left, right): mid = (left + right) / 2 '''spawnСледствие:''' mergeSortMT(array, left, mid) mergeSortMT(arrayХроматический многочлен любого графа <tex>G</tex> равен сумме хроматических многочленов некоторого числа полных графов, mid + 1число вершин в которых не больше, right) '''sync''' merge(array, left, mid, right)чем в графе <tex>G</tex>.
В данном алгоритме оператор '''spawn''' запускает новый поток, а оператор '''sync''' ожидает завершения этого потока. Функция merge аналогична функции merge из раздела [http:{{Теорема|statement=Пусть <tex>u</tex> и <tex>v</tex> — смежные вершины графа <tex>G</neerctex>.ifmo.ruЕсли <tex>G_1=G\backslash uv</tex> и <tex>G_2=G/wikiuv</index.php?title=%D0%A1%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BC#.D0.A1.D0.BB.D0.B8.D1.8F.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D0.B4.D0.B2.D1.83.D1.85_.D0.BC.D0.B0.D1.81.D1.81.D0.B8.D0.B2.D0.BE.D0.B2 слияние двух массивов].Несмотря на наличие двух рекурсивных вызовов, при оценке будем считатьtex>, что совершается один вызов, т.к. оба вызова выполняются параллельно с одинаковой асимптотикой. Оценим время работы данного алгоритма: то <mathtex>TP(nG,x) = TP(n / 2G_1,x) + \Omega-P(n) = \Omega(nG_2,x)</mathtex>. Данная асимптотика достигается при возможности запускать неограниченное количество потоков независимо друг от друга|proof=Следует из предыдущей теоремы.На практике на однопроцессорных компьютерах имеет смысл запускать алгоритм, ограничив количество допустимое количество потоков. Изменим код в соответствии с этими требованиями:}}
mergeSortMTBounded== Примеры хроматических многочленов ===== Хроматический многочлен полного графа ===<tex>P(arrayK_{n}, left, rightx): mid = x(left x-1)...(x-n+ right1) =x^{\underline{n}}</ 2 if threadCount tex>, так как первую вершину полного графа <mathtex>K_{n}</tex> можно окрасить в любой из <tex>x</mathtex> maxThreads: threadCount++ '''spawn''' mergeSortMTBounded(arrayцветов, left, mid) else: mergeSortMTBounded(array, left, mid) mergeSortMTBounded(array, mid + вторую — в любой из оставшихся <tex>x-1</tex> цветов и т. д. Очевидно, right) if threadCount что если <tex>x</tex> меньше <mathtex>\leqslantn</mathtex> maxThreads: '''sync''' threadCount-- merge(array, leftто и многочлен равен <tex>0</tex>, mid, right)так как один из его множителей <tex>0</tex>.
Где threadCount === Хроматический многочлен нуль- глобальный счетчикграфа ==={{Определение|definition='''Нуль-граф''' (пустой граф, вполне несвязный граф; англ. ''null graph'', ''empty graph'', ''edgeless graph'') — регулярный граф степени <tex>0</tex>, а maxThreads - ограничение по количеству потоковт.е. граф без рёбер.}}<tex>P(O_{n},x)=x^{n}</tex>, так как каждую из <tex>n</tex> вершин нулевого графа <tex>O_{n}</tex> можно независимо окрасить в любой из <tex>x</tex> цветов.<br>Данный алгоритм будет иметь асимптотику'''Примечание: ''' Нулевой граф <tex>O_{n}<math/tex> также можно обозначать <tex>\Omega((overline{K_{n }}</ maxThreads) * \log(tex> (дополнительный граф для полного графа <tex>K_{n / maxThreads)))}</mathtex>).
===Алгоритм с многопоточным слияниемХроматический многочлен простой цепи ===Как видно из оценки первого алгоритма, слияние выполняется слишком долго при том, что существует возможность его ускорить. Рассмотрим алгоритм рекурсивного слияния массивов Пусть <mathtex>T[left1 \dots right1]T_n</mathtex> и — простая цепь, состоящая из <mathtex>T[left2 \dots right2]n</mathtex> вершин. Рассмотрим процесс раскраски простой цепи: первую вершину можно покрасить в массив один из <mathtex>A[left3 \dots right3]x</mathtex>:# Убедимсяцветов, что размер <math>T[left1 \dots right1]</math> больше либо равен размеру <math>T[left2 \dots right2]</math># Найдем вторую и последующие в один из <mathtex>x = T[mid1]- 1</mathtex> - середину первого массива цветов (<math>x</math> также является и медианой этого массиват.е. так, чтобы цвет не совпадал с предыдущей вершиной)# При помощи бинарного поиска найдем . Тогда <mathtex>mid2</math> такоеP(T_n, что <math>\forall y \in T[left2 \dots mid2 - 1]: y < x</math># <math>mid3 ) = left3 + (mid1 - left1) + x(mid2 - left2)</math># <math>A[mid3] = x</math># Сольем <math>T[right1 \dots mid1 - 1]</math> и <math>T[rigth2 \dots mid2]</math> в <math>A[right3 \dots mid3 ) ^ {n - 1]}</mathtex># Сольем <math>T[mid1 + 1 \dots right1]</math> и <math>T[mid2 \dots right2]</math> в <math>A[mid3 + 1 \dots right3]</math>Приведем псевдокод данного алгоритма:.
=== Хроматический многочлен цикла ==={{Теорема|about=хроматический многочлен цикла|statement=Пусть <tex>C_n</tex> — цикл длины <tex>n</ если tex>. Тогда хроматичсекий многочлен цикла <mathtex>right P(C_n, x) = (x - 1)^n + (-1)^n(x - 1)</tex>.|proof= leftРассмотрим случай <tex>n = 3</mathtex> возвращает : <mathtex>leftP(C_3, x) = x(x - 1)(x - 2) = (x - 1)(x^2 - x) = (x - 1)^3 + (-1)^3(x - 1)</mathtex>, что удовлетворяет формулировке теоремы.<br> Пусть <tex>P(С_k, x) = (x - 1)^k + (-1)^k(x - 1)</tex>.<br>Рассмотрим случай <tex>n = k + 1</ если tex>. По теореме о [[#.D0.A0.D0.B5.D0.BA.D1.83.D1.80.D1.80.D0.B5.D0.BD.D1.82.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D1.84.D0.BE.D1.80.D0.BC.D1.83.D0.BB.D1.8B_.D0.B4.D0.BB.D1.8F_.D1.85.D1.80.D0.BE.D0.BC.D0.B0.D1.82.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA.D0.B8.D1.85_.D0.BC.D0.BD.D0.BE.D0.B3.D0.BE.D1.87.D0.BB.D0.B5.D0.BD.D0.BE.D0.B2|рекурентной формуле для хроматических многочленов]]: <mathtex>P(C_{k + 1}, x ) = P(C_{k + 1} \setminus e, x ) - P(C_{k + 1} / e, x)</tex> (где <tex>e</tex> — любое ребро <tex>C_{k + 1}</tex>).Заметим, что граф <tex>C_{k + 1} / e</tex> изоморфен <tex>C_k</tex>. Заметим, что граф <= Ttex>C_{k + 1} \setminus e</tex> является [[left#.D0.A5.D1.80.D0.BE.D0.BC.D0.B0.D1.82.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA.D0.B8.D0.B9_.D0.BC.D0.BD.D0.BE.D0.B3.D0.BE.D1.87.D0.BB.D0.B5.D0.BD_.D0.BF.D1.80.D0.BE.D1.81.D1.82.D0.BE.D0.B9_.D1.86.D0.B5.D0.BF.D0.B8|простой цепью]].Тогда <tex>P(C_{k + 1}, x)=P(T_{k + 1}, x)-P(C_k, x)=x(x-1)^k-(x-1)^k-(-1)^k(x-1)=</mathtex><tex>(x-1)^{k+1}+(-1)^{k+1}(x-1)</tex>.}}=== Хроматический многочлен колеса ==={{Определение|definition=Колесо — это граф с <tex>n</tex> вершинами (<tex>n \le 4</tex>), возвращает образованный соединением единственной вершины со всеми вершинами (<mathtex>leftn - 1</mathtex>)-цикла.}} Пусть <tex>W_n<// иначе возвращает наибольший индекс tex> — колесо с <mathtex>in</mathtex> вершинами. Выбрав и зафиксировав один из отрезка <mathtex>[left; right]x</mathtex> такойцветов на вершине, что связнной со всеми остальными, имеем <mathtex>array[i P_{C_{n - 1}}(x - 1] ) </tex> вариантов раскраски оставшегося графа. Тогда хроматичсекий многочлен колеса < tex>P_{W_n}(x) = x \cdot P_{C_{n - 1}}(x - 1) = x((x - 2)^{(n - 1)} - (-1)^n(x - 2))</mathtex>. binarySearch=== Хроматический многочлен дерева ==={{Теорема|about=хроматический многочлен дерева|statement=Граф <tex>G</tex> с <tex>n</tex> вершинами является деревом тогда и только тогда, когда <tex>P(G,x)=x(x-1)^{n-1}</tex>.|proof=<tex>\Rightarrow</tex><br>Сначала покажем, arrayчто хроматический многочлен любого дерева <tex>T</tex> с <tex>n</tex> вершинами есть <tex>x(x-1)^{n-1}</tex>.Доказательство индукцией по числу <tex>n</tex>. Для <tex>n=1</tex> и <tex>n=2</tex> результат очевиден. Предположим, leftчто <tex>P(T', rightx)=x(x-1) ^{n-2}</tex> для любого дерева <tex>T'</tex> с количеством вершин равным <tex>n-1</tex>. Пусть <tex>uv</tex> — ребро дерева <tex>T</tex>, такое что <tex>v</tex> является висячей вершиной. Хроматический многочлен дерева <tex>T</tex> без ребра <tex>uv</ слияние tex> равен <mathtex>P(T[left1 \dots right1]/uv,x)=x(x-1)^{n-2}</tex> по нашему предположению. Вершину <tex>v</tex> можно окрасить <tex>x-1</tex> способом, так как её цвет должен только лишь отличаться от цвета вершины <tex>u</mathtex> и . Итого: <mathtex>P(T,x)=(x-1)P(T[left2 /uv,x)=x(x-1)^{n-1}</tex>.<br><tex>\dots right2]Leftarrow</tex><br>Обратно, пусть <tex>G</mathtex> в — граф, у которого <mathtex>A[left3 \dots right1 P(G,x)=x(x- left1 + right2 1)^{n- left2]1}</mathtex>. Тогда верны два следующих утверждения:<ol> mergeMT<li>Граф <tex>G</tex> связен, потому что если было бы две компоненты связности (Tили больше), то <tex>P(G,x)</tex> делился бы на <tex>x^2</tex> без остатка.<br /></li> <li>В графе <tex>G</tex> количество рёбер равно <tex>n-1</tex>, left1так как по одной из теорем о коэффициентах хроматического многочлена ([[Хроматический многочлен#Коэффициенты хроматического многочлена|Коэффициенты хроматического многочлена]], right1теорема 4), left2количество рёбер в графе соответствует коэффициенту при <tex>x^{n-1}</tex>, right2взятому со знаком минус. В нашем случае, Aэтот коэффициент удобно искать, left3)используя бином Ньютона:<br /> n1 <tex>{P(G,x)=x(x-1)^{n-1}= right1 x\left(x^{n-1}-{n-1 \choose 1}x^{n- left1 2}+ {n-1 n2 \choose 2}x^{n-3}-...+(-1)^{n-1}\right)= right2 x^{n}-(n- left2 1)x^{n-1}+...+ (-1)^{n-1}x}</tex><br /> </li> if n1 < n2:/ol> swapИз этих двух утверждений (связность и <tex>n-1</tex> ребро) следует, что граф <tex>G</tex> является деревом (left1см. [[Дерево, эквивалентные определения]], left2утверждения 1 и 3).}}  swap== Коэффициенты хроматического многочлена =={{Теорема|about=1|statement=Свободный член хроматического многочлена равен <tex>0</tex>.|proof=По определению хроматического многочлена графа <tex>G</tex>, его значение в точке <tex>x</tex> равно количеству способов раскрасить вершины <tex>G</tex> правильным образом в <tex>x</tex> цветов. Количество способов раскрасить граф в <tex>0</tex> цветов равно <tex>0</tex>. То есть <tex>P(right1G, right20) swap=0</tex>. Из этого следует, что <tex>P(n1G, n2x)</tex> кратен <tex>x</tex>, следовательно его свободный член равен <tex>0</tex>.}}  {{Теорема if n1 |about=2|statement= 0: returnСтарший коэффициент хроматического многочлена равен <tex>1</tex>.|proof= elseВоспользуемся рекуррентной формулой:<br/> mid1 <tex>P(G,x) = P(left1 G_{1},x) + right1P(G_{2},x) </ tex>,<br/>где <tex>G_{1}</tex> — граф, полученный из <tex>G</tex> добавлением отсутствующего в <tex>G</tex> ребра <tex>uv</tex>, а <tex>G_{2}</tex> — граф, полученный из <tex>G</tex> слиянием вершин <tex>u</tex> и <tex>v</tex> в одну и удалением возникших при этом кратных ребер. mid2 = binarySearch(T[mid1]Применяя рекуррентную формулу повторно, Tхроматический полином можно представить в виде суммы хроматических полиномов полных графов, left2то есть:<br/><tex>P(G, right2x) mid3 = left3 {P(K_{n},x) + a_{1}P(mid1 K_{n- left11},x) + a_{2}P(mid2 K_{n- left22},x)+ \ldots = x^{\underline{n}} + a_{1}x^{\underline{n-1}}+a_{2}x^{\underline{n-2}}+\ldots}</tex><br/>Из этой формулы видно, что хроматический многочлен имеет старший коэффициент, равный <tex>1</tex>. A[mid3] }} {{Теорема|about=3|statement=Коэффициенты хроматического многочлена составляют знакопеременную последовательность.|proof=Индукция по количеству вершин.<br/>'''База индукции:'''<br/>Теорема верна для графа <tex>G</tex> из одной вершины, потому что <tex>P(G,x)= T[mid1]x</tex>.<br/> '''spawnИндукционный переход''' mergeMT(T<tex>n \to n+1)</tex>:<br/>Предположим, что теорема верна для всех графов на <tex>n</tex> вершинах. Рассмотрим графы на <tex>n+1</tex> вершине.Индукционный переход будем доказывать индукцией по количеству ребер графа <tex>G</tex>. Если <tex>G</tex> не содержит ребер, то есть <tex>G</tex> является <tex>O_{n+1}</tex>, то его хроматический многочлен <tex>P(G, left1x)=x^{n+1}</tex> обладает доказываемым свойством. Теперь предположим, mid1 что для всех <tex>(n+1,m)</tex>- графов теорема верна. Возьмем <tex>(n+1, left2m+1)</tex>-граф <tex>G_{1}</tex> и его ребро <tex>uv</tex>. Обозначим за <tex>G</tex> граф, mid2 полученный из <tex>G_{1}</tex> удалением ребра <tex>uv</tex> (<tex>G=G_{1}- uv</tex>), а за <tex>G_{2}</tex> — граф, полученный из <tex>G_{1}</tex> слиянием вершин <tex>u</tex> и <tex>v</tex>. Тогда из рекуррентной формулы следует:<br/><tex>P(G_{1}, Ax)=P(G, left3x)-P(G_{2},x)</tex>.Так как <tex>G</tex> — <tex>(n+1,m)</tex>-граф, а в <tex>G_{2}</tex> — <tex>n</tex> вершин, то для <tex>G</tex> и <tex>G_{2}</tex> теорема верна:<br/> mergeMT<tex>{P(TG, mid1 x)=x^{n+ 1}-a_{1}x^{n}+a_{2}x^{n-1}-a_{3}x^{n-2}+\ldots}</tex> , right1<br/><tex>{P(G_{2}, mid2x)=x^{n}-b_{1}x^{n-1}+b_{2}x^{n-2}+\ldots}</tex> , right2<br/>где <tex>a_{1}</tex>, A<tex>a_{2}</tex> … <tex>a_{n+1}</tex>, <tex>b_{1}</tex>, <tex>b_{2}</tex> … <tex>b_{n}</tex> — некоторые неотрицательные целые числа. Из этих равенств получаем:<br/><tex>P(G_{1}, mid3 x)=x^{n+ 1}-(a_{1}+1)x^{n}+(a_{2}+b_{1})x^{n-1}+\ldots</tex>.Видно, что в этом полученном полиноме коэффициенты составляют знакопеременную последовательность.}} {{Теорема|about=4|statement=Второй коэффициент хроматического многочлена равен по модулю количеству ребер графа.|proof= Из доказательства '''syncТеоремы (3)'''видно, что при увеличении количества ребер графа на <tex>1</tex>, второй коэффициент также увеличивается на <tex>1</tex>. Так как для пустого графа второй коэффициент равен <tex>0</tex>, то утверждение верно для любого графа.}} == Источники информации ==* Асанов М. О., Баранский В. А., Расин В. В. - Дискретная математика: Графы, матроиды, алгоритмы: Учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. - СПб.: Издательство "Лань", 2010. - 368 с.: ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN 978-5-8114-1068-2* Харари Ф. — Теория графов: Изд. 4-е. - М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2009. - 296 с. ISBN 978-5-397-00622-4* [[wikipedia:en:Chromatic_polynomial| Wikipedia {{---}} Chromatic_polynomial]]* [[wikipedia:ru:Хроматическое_число#.D0.A5.D1.80.D0.BE.D0.BC.D0.B0.D1.82.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA.D0.B8.D0.B9_.D0.BC.D0.BD.D0.BE.D0.B3.D0.BE.D1.87.D0.BB.D0.B5.D0.BD| Wikipedia {{---}} Хроматический многочлен]] [[Категория: Алгоритмы и структуры данных]][[Категория: Раскраски графов]]
Анонимный участник

Навигация