Изменения

Перейти к: навигация, поиск

Алгоритм построения Эйлерова цикла

3356 байт добавлено, 17:29, 20 января 2021
Добавлена реализация алгоритма поиска Эйлерова цикла за O(E)
=== Описание алгоритма ===
Алгоритм находит [[Эйлеров цикл, Эйлеров путь, Эйлеровы графы, Эйлеровость орграфов|Эйлеров цикл]] как в [[Ориентированный граф|ориентированном]], так и в [[Основные определения теории графов#Неориентированные графы|неориентированном графе]]. Перед запуском алгоритма необходимо [[Эйлеров цикл, Эйлеров путь, Эйлеровы графы, Эйлеровость орграфов|проверить граф на эйлеровость]]. Чтобы построить [[Эйлеров цикл, Эйлеров путь, Эйлеровы графы, Эйлеровость орграфов|Эйлеров путь]], нужно запустить алгоритм из вершины с нечетной степенью.<br>
Алгоритм напоминает поиск в ширинуглубину. Главное отличие состоит в том, что пройденными помечаются не вершины, а ребра графа. Начиная со стартовой вершины <tex>v</tex> строим путь, добавляя на каждом шаге не пройденное еще ребро, смежное с текущей вершиной. Вершины пути накапливаются в [[Стек | стеке]] <tex>S</tex>. Когда наступает такой момент, что для текущей вершины <tex>w</tex> все инцидентные ей ребра уже пройдены, записываем вершины из <tex>S</tex> в ответ, пока не встретим вершину, которой инцидентны не пройденные еще ребра. Далее продолжаем обход по не посещенным ребрам.
=== Псевдокод ===
'''Код проверки графа на эйлеровость:'''
'''boolean''' checkForEulerPath():
'''int''' numberOfOdd OddVertex <tex>= 0</tex> '''for''' <tex>v : v</tex> <tex>\in</tex> <tex>V</tex> '''if''' <tex>\operatorname{deg} </tex>(<tex>v</tex> ) '''mod''' <tex>2 == 1</tex> numberOfOdd = numberOfOdd OddVertex++ 1 '''if''' numberOfOdd OddVertex <tex> > 2 </tex><font color=darkgreen>// если количество вершин с нечетной степенью больше двух, то граф не является эйлеровым</font>
'''return''' ''false''
'''boolean''' vis[visited(<tex>|V|</tex>] , ''false'') <font color=darkgreen>// инициализировать массив инициализируется значениями ''false''</font> '''for''' <tex>v : v</tex> <tex>\in</tex> <tex>V</tex> '''if''' <tex>\operatorname{deg} </tex>(<tex>v</tex>) <tex> > 0</tex> dfs(<tex>v</tex>, visvisited) '''break''' '''for''' <tex>v : v</tex> <tex>\in</tex> <tex>V</tex> '''if''' <tex>\operatorname{deg} </tex>(<tex>v</tex>) <tex> > 0 </tex> '''and''' '''not''' visvisited[<tex>v</tex>] <font color=darkgreen>// если количество компонент связности, содержащие ребра, больше одной,</font>
'''return''' ''false'' <font color=darkgreen> // то граф не является эйлеровым</font>
'''return''' ''true'' <font color=darkgreen>// граф является эйлеровым</font>
'''Код построения эйлерова пути:'''
'''function''' findEulerPath(<tex>v</tex> : Vertex): <font color=darkgreen> // если граф является полуэйлеровым, то алгоритм следует запускать из вершины нечетной степени </font> Stack S'''for''' <tex>u : u \in V</tex> '''if''' <tex>\operatorname{deg}</tex>(<tex>u</tex>) '''mod''' <tex>2 == 1</tex> <tex>v = u</tex> '''break''' <tex>S</tex>.push(<tex>v</tex>) <font color=darkgreen>// <tex>S</tex> {{---}} стек</font> '''while not''' <tex>S</tex>.isEmptyempty() <tex>w= </tex> = <tex>S</tex>.top() found_edge = '''False''' '''for''' <tex>u : u \in V</tex> '''if''' (<tex>(w, u)</tex> ) <tex>\inE</tex> <font color=darkgreen> // нашли ребро, по которому ещё не прошли</font> <tex>ES</tex> S.push(<tex>u</tex>)<font color=darkgreen> // добавили новую вершину в стек</font> <tex>E</tex>.remove (<tex>(w, u)</tex>) found_edge = '''True''' '''break''' '''elseif''' '''not''' found_edge <tex>S</tex>.pop()<font color=darkgreen> // не нашлось инцидентных вершине <tex>w</tex> рёбер, по которым ещё не прошли</font>
print(<tex>w</tex>)
</font>
=== Доказательство корректности ===
{{Лемма|statement=Данный алгоритм проходит по каждому ребру, причем ровно один раз.|proof=Допустим, что в момент окончания работы алгоритма имеются еще не пройденные ребра. Поскольку граф связен, должно существовать хотя бы одно не пройденное ребро, инцидентное посещенной вершине. Но тогда эта вершина не могла быть удалена из стека <tex>S</tex>, и он не мог стать пустым. Значит алгоритм пройдёт по всем рёбрам хотя бы один раз.Но так как после прохода по ребру оно удаляется, то пройти по нему дважды алгоритм не может.<br>}}Вершина <tex>v</tex>, с которой начат обход графа, будет последней помещена в путь <tex>P</tex>. Так как изначально стек пуст, и вершина <tex>v</tex> входит в стек первой, то после прохода по инцидентным ребрам, алгоритм возвращается к данной вершине, выводит ее и опустошает стек, затем выполнение программы завершается.<br>{{Лемма|statement=Напечатанный путь <tex>P</tex> {{---}} корректный маршрут в графе, в котором каждые две соседние вершины <tex>u_i</tex> и <tex>u_{i+1}</tex> будут образовывать ребро <tex>(u_i, u_{i+1}) \in E</tex>.|proof=Будем говорить, что ребро <tex>(w,u)</tex> представлено в <tex>S</tex> или <tex>P</tex>, если в какой-то момент работы алгоритма вершины <tex>w</tex> и <tex>u</tex> находятся рядом. Каждое ребро графа представлено в <tex>S</tex>. Рассмотрим случай, когда из <tex>S</tex> в <tex>P</tex> перемещена вершина <tex>u</tex>, а следующей в <tex>S</tex> лежит <tex>w</tex>. Возможны 2 варианта:*На следующем шаге для вершины <tex>w</tex> не найдётся инцидентного ребра, тогда <tex>w</tex> переместят в <tex>P</tex>, и ребро <tex>(w,u)</tex> будет представлено в <tex>P</tex>.*Иначе будет пройдена некоторая последовательность ребер <tex>{u_1, u_2, ..., u_k}</tex>, начинающаяся в вершине <tex>w</tex> и проходящая по ребру <tex>(w, u_1)</tex>. Докажем, что данный проход <tex>{u_1, u_2, ..., u_k}</tex> закончится в вершине <tex>w</tex>:#Ребро <tex>(u_{k-1}, u_k)</tex> не может быть инцидентно вершинам <tex>u_1, \dots , u_{k-2}</tex>, иначе степень вершины <tex>u_k</tex> окажется нечетной.#Предположим, что <tex>(u_{k-1}, u_k)</tex> инцидентно вершине, пройденной при обходе графа из вершины <tex>u</tex>. Но это неверно, так как тогда бы данные вершины пройдены ранее.Из этого следует, что мы закончим обход в вершине <tex>w</tex>. Следовательно, данная вершина первой поместится в <tex>P</tex> вслед за <tex>u</tex>, и ребро <tex>(w, u)</tex> будет представлено в <tex>P</tex>.}}
{{Теорема
|id=proof1
|statement=Данный алгоритм находит корректный эйлеров путь.
|proof={{TODO | t = Довести до ума}}<br>Данный алгоритм проходит по каждому ребру, причем ровно один раз. Допустим, что в момент окончания работы алгоритма имеются еще не пройденные ребра. Поскольку граф связен, должно существовать хотя бы одно непройденное ребро, инцидентное посещенной вершине. Но тогда эта вершина не могла быть удалена из <tex>S</tex>, и <tex>S</tex> не мог стать пустым. Так как после прохода по ребру оно удаляется, то пройти по нему дважды алгоритм не может.<br>Вершина <tex>v</tex>, с которой начат обход графа, будет последней помещена в путь <tex>P</tex>. Так как изначально стек пуст, и вершина <tex>v</tex> входит в стек первой, то после прохода по инцидентным ребрам, алгоритм возвращается к данной вершине, выводит ее и опустошает стек, затем выполнение программы завершается.<br>Напечатанный путь <tex>P</tex> {{---}} корректный маршрут в графе, в котором каждые две соседние вершины <tex>u_i</tex> и <tex>u_{i+1}</tex> будут образовывать ребро <tex>(u_i, u_{i+1})</tex>, принадлежащее <tex>E</tex>. Будем говорить, что ребро <tex>(w,u)</tex> представлено в <tex>S</tex> или <tex>P</tex>, если в какой-то момент работы алгоритма вершины <tex>w</tex> и <tex>u</tex> находятся рядом. Каждое ребро графа представлено в <tex>S</tex>. Рассмотрим случай, когда из <tex>S</tex> в <tex>P</tex> перемещена вершина <tex>u</tex>, а следующей в <tex>S</tex> лежит <tex>w</tex>. Возможны 2 варианта:#На следующем шаге <tex>w</tex> перемещена в <tex>P</tex>. Тогда <tex>(w,u)</tex> представлено в <tex>P</tex>.#Сначала будет пройдена некоторая последовательность ребер, начинающаяся в вершине <tex>w</tex>, и проходящая по ребру <tex>(w, u_1)</tex>. Докажем, что данный проход <tex>T</tex> <tex>{u_1, u_2, ..., u_k}</tex> закончится в вершине <tex>w</tex>: ребро <tex>(u_{k-1}, u_k)</tex> не может быть инцидентно вершинам <tex>u_1, \dots , u_{k-2}</tex>. Иначе степень вершины <tex>u_k</tex> будет нечетной. Предположим, что <tex>(u_{k-1}, u_k)</tex> инцидентно вершине, пройденной при обходе графа из вершины <tex>u</tex>. Но это неверно, так как тогда бы данные вершины пройдены ранее. Из этого следует, что мы закончим обход в вершине <tex>w</tex>. Следовательно, данная вершина первой поместится в <tex>P</tex> вслед за <tex>u</tex>, и ребро <tex>(w, u)</tex> будет представлено в <tex>P</tex>.Из этого предыдущих лемм следует, что <tex>P</tex> {{---}} искомый эйлеров путьи алгоритм работает корректно.
}}
=== Рекурсивная реализация ===
Чтобы реализовать поиск за <tex>O(1)</tex>, для хранения графа следует использовать списки смежных вершин; для удаления достаточно добавить всем ребрам свойство <tex>\mathtt{deleted}</tex> бинарного типа.
=== Рекурсивная реализация за <tex>O(E)</tex> ===
Заведём 2 массива: <tex>vis</tex> и <tex>first</tex> <br>
<tex>vis[i] (bool)</tex> - посещено ли ребро с индексом <tex>i</tex> <tex>(i \in 0..(E-1))</tex><br>
(массив нужен, чтобы за <tex>O(1)</tex> проверять, доступно ребро или нет) <br>
<tex>first[u] (int)</tex> - индекс первой вершины <tex>v</tex> в списке смежных вершин, такой что ребро <tex>(u,v)</tex> не посещено <tex>(u \in 0..(V-1))</tex><br>
(массив нужен, чтобы в среднем за <tex>O(1)</tex> находить доступное ребро) <br>
 
Изначально оба массива заполнены нулями. <br>
 
Граф будем хранить в виде списков смежных вершин. Для каждой вершины <tex>u</tex> построим список <tex>g[u]</tex> из пар вида <tex>(i,v)</tex> <br>
<tex>i</tex> - индекс ребра <tex>(u,v)</tex> <br>
<tex>v</tex> - номер смежной вершины <br>
 
После ввода графа нужно запустить <tex>euler(0)</tex> или от любой другой вершины. <br>
<font size=2>
'''function''' euler(<tex>u</tex>):
'''while''' (first[<tex>u</tex>] < g[<tex>u</tex>].size()): <font color=darkgreen> //если first[<tex>u</tex>] = g[<tex>u</tex>].size, рёбра во все смежные вершины уже посещены</font>
<tex>i</tex>,<tex>v</tex> = g[<tex>u</tex>][first[<tex>u</tex>]]
first[<tex>u</tex>] += 1
'''if''' (!vis[<tex>i</tex>]):<br> vis[<tex>i</tex>] = true<br> euler(<tex>v</tex>)<br> print(<tex>v</tex>)
</font> <br>
== См. также ==
* [[Гамильтоновы графы]]
* [[Покрытие ребер рёбер графа путями]]
* [[Произвольно вычерчиваемые из заданной вершины графы]]
* [http://e-maxx.ru/algo/euler_path Статья про нахождение Эйлерова пути с реализацией на С++ на сайте e-maxx.ru]
* [http://ивтб.рф/exams/саод/36.htm Статья про нахождение Эйлерова пути с реализацией на Pascal на сайте ивтб.рф]
* [https://www.youtube.com/watch?v=ryw059C6oK8 Видео-лекция А.С.Станкевича про нахождение Эйлерова цикла с реализацией на C++ на сайте youtube.com]
[[Категория: Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория: Обходы графов]]
[[Категория: Эйлеровы графы]]
Анонимный участник

Навигация