Умблик
Справочник вероятности
Графы и деревья
Вероятность и статистика · Графы и деревья

Ориентированные графы

Стрелки, входящие и исходящие степени, достижимость и вероятностные переходы.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Ориентированные графы описывают односторонние дороги, зависимости задач и переходы между состояниями. Входящие и исходящие степени помогают проверять структуру и вероятностные ветви.

Главная идея. В ориентированном графе каждое ребро имеет направление и называется дугой, поэтому A → B и B → A — разные связи. Путь обязан следовать стрелкам, а достижимость обычно несимметрична.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Выпишите вершины и каждую дугу с началом и концом; петлю учитывайте по одному разу во входящей и исходящей степени.
  2. Для маршрута двигайтесь только по направлению стрелок и отдельно проверяйте достижимость в обратную сторону.
  3. Сложите исходящие и входящие степени по всем вершинам: обе суммы должны равняться числу дуг.
  4. Если дуги несут вероятности перехода, отдельно для каждого нетерминального состояния проверьте, что сумма равна единице.

Частая ошибка. Игнорировать стрелки и считать, что из C можно вернуться в A только потому, что в неориентированном виде вершины A, B и C соединены.

Как проверить себя. Стройте последовательность дуг в требуемом направлении; из A → B и B → C следует достижимость C из A, но обратного пути эти дуги не дают.

Схема к теме

Наглядная модель: Ориентированные графы

Стрелки, входящие и исходящие степени, достижимость и вероятностные переходы.

Наглядная модель: Ориентированные графыСтрелки, входящие и исходящие степени, достижимость и вероятностные переходы.ориентированныйграфдугадостижимостьОриентированныеграфы
  • Ориентированные графы → ориентированный граф
  • Ориентированные графы → дуга
  • Ориентированные графы → достижимость
Схема связывает понятие «Ориентированные графы» с его ключевыми признаками. Вывод: Свяжите определение, условия и обозначения: тогда формула станет краткой записью уже понятной идеи.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Для цикла A → B, B → C, C → A объясните сильную связность и проверьте общие суммы входящих и исходящих степеней.

В хорошем объяснении есть:

  • Из каждой вершины показан направленный путь к двум другим вершинам по циклу.
  • У каждой вершины входящая и исходящая степень равны единице, а обе общие суммы равны трём дугам.

Когда направление существенно

В ориентированном графе ребро имеет направление и называется дугой. Дуги A→BA\to B и B→AB\to A различаются. Так описывают односторонние дороги, зависимости заданий, состояния процесса и ветви последовательного эксперимента.

Исходящая степень deg⁡+(v)\deg^+(v) — число дуг, начинающихся в вершине; входящая deg⁡−(v)\deg^-(v) — число заканчивающихся в ней. Каждая дуга учитывается один раз в каждой общей сумме, поэтому обе суммы равны числу дуг.

Путь должен следовать стрелкам

Из AA достижима BB, если существует направленный путь. Достижимость не обязана быть симметричной. Граф сильно связен, если любая вершина достижима из любой другой по направлениям. Слабая связность означает связность после удаления направлений; она не гарантирует возможность обратной поездки.

Если граф задаёт вероятностный переход из состояния, исходящие вероятности из каждого обычного состояния суммируются к 1. Это дополнительная структура, а не свойство всякого ориентированного графа. Терминальная вершина дерева опыта может не иметь исходящих дуг.

Три примера

  1. При дугах A→BA\to B и B→CB\to C вершина CC достижима из AA за два шага, но обратного пути нет.
  2. При дугах A→B,B→C,C→AA\to B,B\to C,C\to A граф сильно связен: из любой вершины можно обойти цикл.
  3. Из состояния выходят дуги с вероятностями 0.2, 0.5 и qq. Для корректной модели переходов q=1−0.2−0.5=0.3q=1-0.2-0.5=0.3.

Ошибки

Нельзя игнорировать стрелку, выбирая маршрут. По входящей степени нельзя узнать исходящую степень отдельной вершины: равны только общие суммы. Наличие цикла не делает весь граф сильно связным, если есть изолированная или недостижимая часть. Для задач без возврата к состояниям часто используют ориентированный ациклический граф, но не каждый такой граф является деревом.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

∑vdeg⁡+(v)=∑vdeg⁡−(v)=∣E∣\sum_v\deg^+(v)=\sum_v\deg^-(v)=|E|

Формула словами: Каждая дуга имеет одно начало и один конец; петля добавляет по единице в обе степени.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.