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

Связность, путь, цепь и цикл

Как договориться о терминах обхода графа и находить кратчайшее расстояние.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Точные различия между маршрутом, путём, цепью и циклом нужны для задач о достижимости, компонентах сети и кратчайшем расстоянии. Без них легко принять число записанных вершин за длину или спутать замкнутый обход с циклом.

Главная идея. Маршрут — последовательность допустимых переходов по рёбрам; цепь не повторяет рёбра, простой путь не повторяет вершины, а цикл замыкает простой путь. Связность означает существование пути, а не прямого ребра.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Выпишите последовательность вершин и проверьте, что каждая соседняя пара действительно соединена допустимым ребром нужного направления.
  2. Отметьте повторяющиеся рёбра и вершины, чтобы правильно назвать объект маршрутом, цепью, простым путём или циклом.
  3. Для расстояния посчитайте рёбра кратчайшего простого пути; если пути нет, сначала разделите граф на компоненты связности.

Частая ошибка. Называть граф связным только тогда, когда каждая пара вершин соединена одним ребром, и считать длиной пути количество записанных вершин вместо числа переходов.

Как проверить себя. Для связности достаточно любой последовательности рёбер между вершинами; в записи A–B–C–D четыре вершины, но три ребра, поэтому длина невзвешенного пути равна трём.

Схема к теме

Наглядная модель: Связность, путь, цепь и цикл

Как договориться о терминах обхода графа и находить кратчайшее расстояние.

Наглядная модель: Связность, путь, цепь и циклКак договориться о терминах обхода графа и находить кратчайшее расстояние.связностьпутьцепьциклСвязность, путь,цепь и цикл
  • Связность, путь, цепь и цикл → связность
  • Связность, путь, цепь и цикл → путь
  • Связность, путь, цепь и цикл → цепь
  • Связность, путь, цепь и цикл → цикл
Схема связывает понятие «Связность, путь, цепь и цикл» с его ключевыми признаками. Вывод: Свяжите определение, условия и обозначения: тогда формула станет краткой записью уже понятной идеи.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Возьмите маршрут с повторным посещением вершины и объясните, какие повторы нужно удалить, чтобы получить простой путь, и почему удаление петли не мешает достижимости конечной вершины.

В хорошем объяснении есть:

  • Различены повтор вершины и повтор ребра, а термины использованы согласно статье.
  • Длина посчитана по рёбрам, а связность не перепутана с полнотой графа.

Последовательность переходов

Маршрут в графе — последовательность вершин, где соседние соединены ребром, вместе с соответствующими рёбрами. Повторения разрешены. Цепью здесь называем маршрут без повторения рёбер; простым путём — маршрут без повторения вершин. Цикл — замкнутый простой путь, у которого совпадают лишь первая и последняя вершины. В простом неориентированном графе цикл содержит хотя бы три ребра.

Терминология разных учебников отличается: слово «путь» иногда допускает повторения. Поэтому в задачах важно уточнение. Длина невзвешенного маршрута — количество пройденных рёбер, а не число записанных вершин.

Связность и компоненты

Граф связен, если между любой парой его вершин есть путь. Если нет, вершины разбиваются на компоненты связности — максимальные связные части. Изолированная вершина тоже образует компоненту. Кратчайший маршрут между достижимыми вершинами можно выбрать простым: петлю с повторным возвращением можно убрать.

Три примера

  1. При рёбрах AB,BC,CDAB,BC,CD маршрут A−B−C−DA-B-C-D имеет длину 3. В записи четыре вершины, но переходов только три.
  2. В треугольнике AB,BC,CAAB,BC,CA маршрут A−B−C−AA-B-C-A — цикл длины 3. Маршрут A−B−AA-B-A повторяет ребро и не является цепью.
  3. В графе с рёбрами AB,BC,DEAB,BC,DE и отдельной вершиной FF три компоненты: {A,B,C}\{A,B,C\}, {D,E}\{D,E\} и {F}\{F\}.

Частые ошибки

Связность не требует ребра между каждой парой — достаточно последовательности переходов. Замкнутый маршрут не обязательно цикл: он может многократно посещать вершины и рёбра. Если рёбра имеют веса, кратчайший по числу рёбер путь может оказаться не самым коротким по расстоянию или времени. В ориентированном графе дополнительно учитывается направление каждого перехода.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

d(u,v)=min⁡{число рёбер пути из u в v}d(u,v)=\min\{\text{число рёбер пути из }u\text{ в }v\}

Формула словами: Расстояние в невзвешенном графе; при отсутствии пути расстояние считают бесконечным.

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.