Гиперграфы — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показано 10 промежуточных версий 3 участников)
Строка 1: Строка 1:
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
'''Гиперграфом''' (англ. hypergraph) <tex>H</tex> называют такую пару <tex>H = (X, E)</tex> , где <tex>X - </tex> множество вершин, а <tex>E -</tex> семейство подмножеств X, называемых '''гиперребрами''' (англ. hyperedges)  
+
'''Гиперграфом''' (англ. ''hypergraph'') <tex>H</tex> называют такую пару <tex>H = (X, E)</tex> , где <tex>X - </tex> множество вершин, а <tex>E -</tex> семейство подмножеств <tex>X</tex> , называемых '''гиперребрами''' (англ. ''hyperedges'')  
 
}}  
 
}}  
  
 
Обычные графы, у которых ребра могут соединять только две вершины, являются частным случаем гиперграфа, у которых все гиперребра содержат только две вершины.
 
Обычные графы, у которых ребра могут соединять только две вершины, являются частным случаем гиперграфа, у которых все гиперребра содержат только две вершины.
  
[[Файл:Hypergraph.jpg|thumb|450px|right|Рис.1
+
[[Файл:Hypergraph.jpg|thumb|450px|Рис. 1: Гиперграф с множеством вершин <tex>V = \{ v_1, v_2, v_3, v_4, v_5, v_6, v_7 \}</tex> и гиперребрами <tex>E = \{ \{ v_1, v_2, v_3 \} , \{ v_2, v_3 \} , \{ v_3, v_5, v_6 \} , \{ v_4 \} \}</tex>]]
Частный случай гипергафа]]
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
Строка 19: Строка 14:
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
'''Путем''' (англ. path, смотри также [[Основные_определения_теории_графов#.D0.9F.D1.83.D1.82.D0.B8_.D0.B2_.D0.B3.D1.80.D0.B0.D1.84.D0.B0.D1.85|путь в обычном графе]]) между двумя гиперребрами <tex>e_i</tex> и <tex>e_j</tex> гиперграфа <tex>H</tex> называется последовательность гиперребер <tex>e_{u_1}, e_{u_2} , \ldots  ,e_{u_k}</tex> таких что :
+
'''Путем''' (англ. ''path'') между двумя гиперребрами <tex>e_i</tex> и <tex>e_j</tex> гиперграфа <tex>H</tex> называется последовательность гиперребер <tex>e_{u_1}, e_{u_2} , \ldots  ,e_{u_k}</tex> таких что :
 
# <tex>e_{u_1} = e_i </tex> и <tex>e_{u_k} = e_j</tex>
 
# <tex>e_{u_1} = e_i </tex> и <tex>e_{u_k} = e_j</tex>
 
# <tex>\forall v: 1 \leqslant v \leqslant k-1, e_v \cap e_{v+1} \ne \emptyset</tex>
 
# <tex>\forall v: 1 \leqslant v \leqslant k-1, e_v \cap e_{v+1} \ne \emptyset</tex>
Строка 26: Строка 21:
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
Гиперграф <tex>H</tex> называется '''связным''' (англ. connected) тогда и только тогда, когда существует путь между каждой парой гиперребер.
+
Гиперграф <tex>H</tex> называется '''связным''' (англ. ''connected'') тогда и только тогда, когда существует путь между каждой парой гиперребер.
 
}}
 
}}
  
[[Файл:Connected_hypergraph.jpg‎|thumb|450px|center|Рис.2 Связный гиперграф]]
+
[[Файл:Connected_hypergraph.jpg‎|thumb|450px|center|Рис. 2: Связный гиперграф]]
  
Пусть <tex>E</tex> - набор гиперребер, <tex>e_1</tex> и <tex>e_2</tex> - элементы <tex>E</tex> и <tex>q = e_1 \cap e_2</tex>.  
+
Пусть <tex>E - </tex> набор гиперребер, <tex>e_1</tex> и <tex>e_2 - </tex> элементы <tex>E</tex> и <tex>q = e_1 \cap e_2</tex>.  
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
<tex>q</tex> называется '''сочленением''' (англ. articulation) <tex>E</tex> , если при его удалении из всех гиперребер <tex>E</tex>, множество разрывается.
+
<tex>q</tex> называется '''сочленением''' (англ. ''articulation'') <tex>E</tex> , если при его удалении из всех гиперребер <tex>E</tex>, множество разрывается.
 
}}
 
}}
  
На Рис.2 <tex>q = e_4 \cap e_6 = \{ x_{12}, x_{13}\}</tex> является сочленением <tex>E</tex>.
+
На рис.2 <tex>q = e_4 \cap e_6 = \{ x_{12}, x_{13}\}</tex> является сочленением <tex>E</tex>.
  
 
==Матрица инцидентности ==
 
==Матрица инцидентности ==
Строка 51: Строка 46:
 
</tex>
 
</tex>
  
Так например, для гиперграфа на рис.1 мы имеем такую матрицу инцидентности
+
Так например, для гиперграфа на рис.1 мы можем построить матрицу инцидентности по таблице отношения принодлежности вершины к гиперребру:
 +
 
 +
{| class="wikitable" align="left" style="color: black; background-color:#ffffcc;" cellpadding="10"
 +
|+
 +
!
 +
!<tex>e_1</tex>
 +
!<tex>e_2</tex>
 +
!<tex>e_3</tex>
 +
!<tex>e_4</tex>
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_1</tex>
 +
|✓|||| ||
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_2</tex>
 +
|✓||✓|| ||
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_3</tex>
 +
|✓||✓||✓||
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_4</tex>
 +
| |||| ||✓
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_5</tex>
 +
|||||✓||
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_6</tex>
 +
|||||✓||
 +
|-align="center"
 +
!<tex>v_7</tex>
 +
|||||||
 +
|}
  
  
Строка 65: Строка 90:
 
\end{pmatrix}</tex>
 
\end{pmatrix}</tex>
  
==Ацикличность гиперграфа==
+
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
==Цикл в гиперграфе==
  
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
'''Циклом''' в <tex>H = (X, E)</tex> называется последовательность гиперребер <tex>(e_{i_1}, e_{i_2}, \ldots , e_{i_k})</tex> удовлетворяющим следующим свойствам:
+
'''Простым циклом''' длины <tex>s</tex> в гиперграфе <tex>H = (V, E)</tex> называется последовательность <tex>( A_0, v_0, A_1, \ldots , A_{s - 1}, v_{s - 1}, A_s)</tex> , где <tex>A_0 , \ldots , A_{s - 1} -</tex> различные ребра <tex>H</tex> , ребро <tex>A_s</tex> совпадает с <tex>A_0</tex> , а <tex>v_0, \ldots , v_{s - 1} -</tex> различные вершины <tex>H</tex> , причем <tex>v_i \in A_i \cap A_{i+1}</tex> для всех <tex> i = 0, \ldots , s - 1</tex>
# <tex>e_{i_k} = e_{i_1}</tex>
 
# Для <tex>2 \le j \le k - 2</tex>  выполняется <tex>\forall e \in E : (S_{j-1} \cup S_j \cup S_{j+1}) \setminus e \ne \emptyset </tex>, где  <tex>S_j = e_{i_j} \cap e_{i_{j+1}}</tex> для <tex> 1 \le j \le k - 1</tex>
 
 
}}
 
}}
  
Для определения ацикличного гиперграфа введем определение '''уха''' гиперграфа, а также редукцию GYO(Graham-Yu-Ozsoyoglu).
+
[[Файл:Cycle_hyper.jpg|thumb|450px|center|Рис. 3: Простейший случай цикла в гиперграфе]]
  
{{Определение
+
 
|definition=
+
Универсальным способом задания гиперграфа является кенигово представление.
'''Ухом''' (англ. ear) гиперграфа называется такое гиперребро <tex>e</tex>, что его вершины можно разделить на две группы:
 
# Вершины, которые принадлежат только гиперребру <tex>e</tex> и никакому более.
 
# Вершины, которые принадлежат другим гиперребрам.
 
}}
 
  
 
{{Определение
 
{{Определение
 
|definition=
 
|definition=
Определение '''редукции GYO''' (англ. GYO reduction) содержит всего два шага:
+
'''Кенигово представление''' гиперграфа <tex> H = (V, E) -</tex> обыкновенный двудольный граф '''<tex>K(H)</tex>''' , отражающий отношение инцидентности различных элементов гиперграфа, с множеством вершин <tex>V \cup E </tex> и долями <tex>V, E</tex>.
# Устранение вершин, которые содержатся только в одном гиперребре.
 
# Удаление гиперребер, которые содержатся в других.
 
 
}}
 
}}
  
То есть, мы удаляем вершины которые содержатся в ухе, и ни в каком более гиперребре. Затем удаляем гиперребра, оставляя другие вершины.
+
Первым, кто дал определение ацикличности гипергафа является Клауд Берж:
  
{{Утверждение
+
{{Теорема
 
|statement=
 
|statement=
Если гиперграф сводится к пустому с помощью редукции GYO, тогда он  ацикличный.
+
Гиперграф <tex>H</tex> не содержит циклов в том случае, если его кенигово представление <tex>-</tex> ацикличный граф, сожержит в противном случае.
 
}}
 
}}
  
[[Файл:Acyclic_hyper.png|thumb|450px|left|Рис.3 Ацикличный гиперграф]]
+
Таким образом, если у нас есть цикл в графе кенигова представления, значит и сам гиперграф имеет цикл.
 +
 
 +
[[Файл:Cycle_example.png|thumb|center|500px|Рис. 4: Пример гиперграфа, содержащего цикл]]
 +
 
 +
===Алгоритм нахождения цикла в гиперграфе===
 +
 
 +
Поскольку гиперграф может задаваться кениговым представлением, тогда произведём серию поисков в глубину в двудольном графе. Т.е. из каждой вершины, в которую мы ещё ни разу не приходили, запустим поиск в глубину, который при входе в вершину будет красить её в серый цвет, а при выходе - в чёрный. И если поиск в глубину пытается пойти в серую вершину, то это означает, что мы нашли цикл (если граф неориентированный, то случаи, когда поиск в глубину из какой-то вершины пытается пойти в предка, не считаются).
  
С помощью редукции GYO удаляются вершины A, B и C (т.к они содержатся только в одном своем гиперребре), а затем удаляем оставшиеся внутренние гиперребра.
+
==Ацикличность гиперграфов==
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
'''Редукцией''' (англ. ''reduction'') гиперграфа <tex>H = (V, E)</tex> называется такой гиперграф <tex>H' = (V, E')</tex> , который получается из исходного путем удаления всех гиперребер, которые полностью содержатся в других гиперреберах.
 +
}}
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Гиперграф называется '''уменьшенным''' (англ. ''reduced'') , если он эквивалентен своей редукции, то есть не имеет гиперребер внутри других гиперребер.
 +
}}
  
 +
Пусть <tex>M - </tex> множество вершин гиперграфа <tex>H = (V, E)</tex>. Множество '''частичных ребер''' (англ. ''partial edges''), порожденных множеством <tex>M</tex>, определяется как множество, полученное путем пересечения гиперребер из множества <tex>E</tex> с <tex>M</tex>. Таким образом, получаем множество : <tex> \{ e \cap M : e \in E \} - \{ \emptyset \} </tex> и берем его редукцию.
  
 +
Множество частичных ребер, порожденное из гиперграфа <tex>H</tex> множеством <tex>M</tex>, называется '''вершинно-порожденным''' (англ. ''node-generated'') множеством частичных ребер.
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
'''Блоком''' (англ. ''block'') уменьшенного гиперграфа называется связное, вершинно - порожденное множество частичных ребер без сочленения.
 +
}}
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Множество частичных ребер называется '''тривиальным''' (англ. ''trivial''), если оно содержит одно гиперребро.
 +
}}
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Уменьшенный гиперграф называется '''<tex> \alpha </tex> - ацикличным''' (англ. ''<tex> \alpha </tex>-acyclity'') , если всего его блоки тривиальны, иначе называют '''<tex> \alpha </tex>-цикличным''' (англ. ''<tex> \alpha</tex>-cyclity'').
 +
}}
  
 +
''Пример''
  
 +
[[Файл:Alpha-acyclity-1.png|thumb|left|500px|Рис. 5: <tex> \alpha</tex>-ацикличный гиперграф]]
 +
[[Файл:Alpha-acyclity-2.png|thumb|center|500px|Рис. 6:  Подмножество гиперребер <tex> \{ ABC, CDE, EFA\} </tex>]]
  
  
Строка 117: Строка 171:
  
  
 +
Очень просто проверить что на рис. 3 представлен <tex> \alpha </tex>-ацикличный гиперграф. Он содержит четыре гиперребра <tex>- ABC, CDE, EFA, ACE</tex>. Сочленение для всего множества гиперребер является <tex> ABC \cap ACE = AC </tex> , так как после удаления вершин <tex>A</tex> и <tex>C</tex> гиперграф не будет связным (вершина <tex>B</tex> не будет ни с кем соединена). Заметим, что на рис. 6 подмножетсво гиперребер <tex>\{ ABC, CDE, EFA \}</tex> не имеет сочленения. Однако, это множество не является вершинно - порожденным , таким образом, нет никаких противоречий с предположением, что гиперграф на рис. 5 является <tex> \alpha </tex>-ацикличным.
  
  
 +
Заметим, что <tex> \alpha </tex>-ацикличность имеет одно нелогичное свойство: при добавлении гиперребер к <tex> \alpha </tex>-цикличному гиперграфу он может стать <tex> \alpha </tex>-ацикличным (например, при добавлении гиперребра, которое охватывает все вершины, всегда будет делать гиперграф <tex> \alpha </tex>-ацикличным). Из-за этого свойства было введено более строгое определение, называемое <tex> \beta </tex>-ацикличностью.
  
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
Гиперграф <tex>H = (V, E) </tex> является '''<tex> \beta </tex>-ацикличным''' (англ. ''<tex> \beta </tex>-acyclity'') , если все его подгиперграфы <tex> \alpha </tex>-ацикличны.
 +
}}
  
 +
Так например гиперграф на рис. 5 является <tex> \alpha </tex>-ацикличным, но не является <tex> \beta </tex>-ацикличным, так как его подгиперграф на рис. 6 является <tex> \alpha </tex>-цикличным.
  
 
== См. также ==
 
== См. также ==
Строка 126: Строка 187:
  
 
== Источники информации ==
 
== Источники информации ==
 +
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Berge wikipedia.com — Клауд Берж]
 
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Hypergraph wikipedia.com — Гиперграфы]
 
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Hypergraph wikipedia.com — Гиперграфы]
 
* [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012365X09003446?np=y sciencedirect.com — Ацикличность в гиперграфах]
 
* [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012365X09003446?np=y sciencedirect.com — Ацикличность в гиперграфах]

Текущая версия на 19:07, 4 сентября 2022

Определение:
Гиперграфом (англ. hypergraph) [math]H[/math] называют такую пару [math]H = (X, E)[/math] , где [math]X - [/math] множество вершин, а [math]E -[/math] семейство подмножеств [math]X[/math] , называемых гиперребрами (англ. hyperedges)


Обычные графы, у которых ребра могут соединять только две вершины, являются частным случаем гиперграфа, у которых все гиперребра содержат только две вершины.

Рис. 1: Гиперграф с множеством вершин [math]V = \{ v_1, v_2, v_3, v_4, v_5, v_6, v_7 \}[/math] и гиперребрами [math]E = \{ \{ v_1, v_2, v_3 \} , \{ v_2, v_3 \} , \{ v_3, v_5, v_6 \} , \{ v_4 \} \}[/math]


Основные понятия гиперграфов

Определение:
Путем (англ. path) между двумя гиперребрами [math]e_i[/math] и [math]e_j[/math] гиперграфа [math]H[/math] называется последовательность гиперребер [math]e_{u_1}, e_{u_2} , \ldots ,e_{u_k}[/math] таких что :
  1. [math]e_{u_1} = e_i [/math] и [math]e_{u_k} = e_j[/math]
  2. [math]\forall v: 1 \leqslant v \leqslant k-1, e_v \cap e_{v+1} \ne \emptyset[/math]


Определение:
Гиперграф [math]H[/math] называется связным (англ. connected) тогда и только тогда, когда существует путь между каждой парой гиперребер.


Рис. 2: Связный гиперграф

Пусть [math]E - [/math] набор гиперребер, [math]e_1[/math] и [math]e_2 - [/math] элементы [math]E[/math] и [math]q = e_1 \cap e_2[/math].

Определение:
[math]q[/math] называется сочленением (англ. articulation) [math]E[/math] , если при его удалении из всех гиперребер [math]E[/math], множество разрывается.


На рис.2 [math]q = e_4 \cap e_6 = \{ x_{12}, x_{13}\}[/math] является сочленением [math]E[/math].

Матрица инцидентности

Пусть дан гиперграф [math]H = (X, E)[/math] , где [math] X = \{ x_1, x_2, \ldots , x_n \}[/math] и [math] E = \{ e_1, e_2, \ldots , e_m \}[/math]. Любой гиперграф может задаваться матрицей инцидентности (смотри матрицу инцидентности в обычном графе) [math]A = (a_{ij}) [/math] размером [math] n \times m[/math], где

[math] a_{ij} = \left \{ \begin{array}{ll} 0 & x_i \in e_j \\ 1 & \mathrm{otherwise} \end{array} \right. [/math]

Так например, для гиперграфа на рис.1 мы можем построить матрицу инцидентности по таблице отношения принодлежности вершины к гиперребру:

[math]e_1[/math] [math]e_2[/math] [math]e_3[/math] [math]e_4[/math]
[math]v_1[/math]
[math]v_2[/math]
[math]v_3[/math]
[math]v_4[/math]
[math]v_5[/math]
[math]v_6[/math]
[math]v_7[/math]


[math] A = [/math] [math]\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 1 & 1 & 0 & 0\\ 1 & 1 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ \end{pmatrix}[/math]




Цикл в гиперграфе

Определение:
Простым циклом длины [math]s[/math] в гиперграфе [math]H = (V, E)[/math] называется последовательность [math]( A_0, v_0, A_1, \ldots , A_{s - 1}, v_{s - 1}, A_s)[/math] , где [math]A_0 , \ldots , A_{s - 1} -[/math] различные ребра [math]H[/math] , ребро [math]A_s[/math] совпадает с [math]A_0[/math] , а [math]v_0, \ldots , v_{s - 1} -[/math] различные вершины [math]H[/math] , причем [math]v_i \in A_i \cap A_{i+1}[/math] для всех [math] i = 0, \ldots , s - 1[/math].


Рис. 3: Простейший случай цикла в гиперграфе


Универсальным способом задания гиперграфа является кенигово представление.


Определение:
Кенигово представление гиперграфа [math] H = (V, E) -[/math] обыкновенный двудольный граф [math]K(H)[/math] , отражающий отношение инцидентности различных элементов гиперграфа, с множеством вершин [math]V \cup E [/math] и долями [math]V, E[/math].


Первым, кто дал определение ацикличности гипергафа является Клауд Берж:

Теорема:
Гиперграф [math]H[/math] не содержит циклов в том случае, если его кенигово представление [math]-[/math] ацикличный граф, сожержит в противном случае.

Таким образом, если у нас есть цикл в графе кенигова представления, значит и сам гиперграф имеет цикл.

Рис. 4: Пример гиперграфа, содержащего цикл

Алгоритм нахождения цикла в гиперграфе

Поскольку гиперграф может задаваться кениговым представлением, тогда произведём серию поисков в глубину в двудольном графе. Т.е. из каждой вершины, в которую мы ещё ни разу не приходили, запустим поиск в глубину, который при входе в вершину будет красить её в серый цвет, а при выходе - в чёрный. И если поиск в глубину пытается пойти в серую вершину, то это означает, что мы нашли цикл (если граф неориентированный, то случаи, когда поиск в глубину из какой-то вершины пытается пойти в предка, не считаются).

Ацикличность гиперграфов

Определение:
Редукцией (англ. reduction) гиперграфа [math]H = (V, E)[/math] называется такой гиперграф [math]H' = (V, E')[/math] , который получается из исходного путем удаления всех гиперребер, которые полностью содержатся в других гиперреберах.


Определение:
Гиперграф называется уменьшенным (англ. reduced) , если он эквивалентен своей редукции, то есть не имеет гиперребер внутри других гиперребер.


Пусть [math]M - [/math] множество вершин гиперграфа [math]H = (V, E)[/math]. Множество частичных ребер (англ. partial edges), порожденных множеством [math]M[/math], определяется как множество, полученное путем пересечения гиперребер из множества [math]E[/math] с [math]M[/math]. Таким образом, получаем множество : [math] \{ e \cap M : e \in E \} - \{ \emptyset \} [/math] и берем его редукцию.

Множество частичных ребер, порожденное из гиперграфа [math]H[/math] множеством [math]M[/math], называется вершинно-порожденным (англ. node-generated) множеством частичных ребер.


Определение:
Блоком (англ. block) уменьшенного гиперграфа называется связное, вершинно - порожденное множество частичных ребер без сочленения.


Определение:
Множество частичных ребер называется тривиальным (англ. trivial), если оно содержит одно гиперребро.


Определение:
Уменьшенный гиперграф называется [math] \alpha [/math] - ацикличным (англ. [math] \alpha [/math]-acyclity) , если всего его блоки тривиальны, иначе называют [math] \alpha [/math]-цикличным (англ. [math] \alpha[/math]-cyclity).


Пример

Рис. 5: [math] \alpha[/math]-ацикличный гиперграф
Рис. 6: Подмножество гиперребер [math] \{ ABC, CDE, EFA\} [/math]





Очень просто проверить что на рис. 3 представлен [math] \alpha [/math]-ацикличный гиперграф. Он содержит четыре гиперребра [math]- ABC, CDE, EFA, ACE[/math]. Сочленение для всего множества гиперребер является [math] ABC \cap ACE = AC [/math] , так как после удаления вершин [math]A[/math] и [math]C[/math] гиперграф не будет связным (вершина [math]B[/math] не будет ни с кем соединена). Заметим, что на рис. 6 подмножетсво гиперребер [math]\{ ABC, CDE, EFA \}[/math] не имеет сочленения. Однако, это множество не является вершинно - порожденным , таким образом, нет никаких противоречий с предположением, что гиперграф на рис. 5 является [math] \alpha [/math]-ацикличным.


Заметим, что [math] \alpha [/math]-ацикличность имеет одно нелогичное свойство: при добавлении гиперребер к [math] \alpha [/math]-цикличному гиперграфу он может стать [math] \alpha [/math]-ацикличным (например, при добавлении гиперребра, которое охватывает все вершины, всегда будет делать гиперграф [math] \alpha [/math]-ацикличным). Из-за этого свойства было введено более строгое определение, называемое [math] \beta [/math]-ацикличностью.


Определение:
Гиперграф [math]H = (V, E) [/math] является [math] \beta [/math]-ацикличным (англ. [math] \beta [/math]-acyclity) , если все его подгиперграфы [math] \alpha [/math]-ацикличны.


Так например гиперграф на рис. 5 является [math] \alpha [/math]-ацикличным, но не является [math] \beta [/math]-ацикличным, так как его подгиперграф на рис. 6 является [math] \alpha [/math]-цикличным.

См. также

Источники информации