Введение
Теория графов представляет собой раздел математики, имеющий широкое практическое применение. В её терминах формулируется большое число задач, связанных с дискретными объектами. Такие задачи возникают при проектировании интегральных схем и схем управления, электрических цепей, блок-схем программ, в экономике, статистике, химии, биологии и в других областях. Теория графов становится одной из существенных частей математического аппарата кибернетики, языком дискретной математики.
В отличие от других научных дисциплин, теория графов имеет вполне определенную дату рождения. Первая работа по теории графов, написанная швейцарским математиком Леонардом Эйлером (1707-1783), была опубликована в 1736 году в Трудах Академии наук в Санкт-Петербурге. Исследование Эйлера было проведено в связи с популярной в то время задачей о кенигсбергских мостах.
В связи с этим Эйлера пишет письмо итальянскому математику и инженеру Маринони:
"Некогда мне была предложена задача об острове, расположенном в городе Кенигсберге и окруженном рекой, через которую перекинуто семь мостов. Спрашивается, может ли кто- нибудь непрерывно обойти их, проходя только однажды через каждый мост. И тут же мне было сообщено, что никто еще до сих пор не мог это проделать, но никто и не доказал, что это невозможно.
Вопрос этот, хотя и банальный, показался мне, однако, достойным внимания тем, что для его решения недостаточны ни геометрия, ни алгебра, ни комбинаторное искусство… После долгих размышлений я нашел легкое правило, основанное на вполне убедительном доказательстве, с помощью которого можно во всех задачах такого рода тотчас же определить, может ли быть совершен такой обход через какое угодно число и как угодно расположенных мостов или не может. Кенигсбергские же мосты расположены так, что их можно представить на следующем рисунке , на котором A обозначает остров, а B, C и D – части континента, отделенные друг от друга рукавами реки. Семь мостов обозначены буквами a, b, c, d, e, f, g ":
По поводу обнаруженного им способа решать задачи подобного рода Эйлер писал:
"Это решение по своему характеру, по-видимому, имеет мало отношения к математике, и мне непонятно, почему следует скорее от математика ожидать этого решения, нежели от какого-нибудь другого человека, ибо это решение подкрепляется одним только рассуждением, и нет необходимости привлекать для нахождения этого решения какие-либо законы, свойственные математике. Итак, я не знаю, каким образом получается, что вопросы, имеющие совсем мало отношения к математике, скорее разрешается математиками, чем другими".
В другом письме Эйлера к Маринони:
"Вопрос состоит в том, чтобы определить, можно ли обойти все эти семь мостов, проходя через каждый только однажды, или нельзя. Мое правило приводит к следующему решению этого вопроса. Прежде всего, нужно смотреть, сколько есть участков, разделенных водой, – таких, у которых нет другого перехода с одного на другой, кроме как через мост. В данном примере таких участков четыре – A, B, C, D. Далее нужно различать, является ли число мостов, ведущих к этим отдельным участкам, четным или нечетным. Так, в нашем случае к участку A ведут пять мостов, а к остальным – по три моста, т. е. Число мостов, ведущих к отдельным участкам, нечетно, а этого одного уже достаточно для решения задачи. Когда это определено, применяем следующее правило: если бы число мостов, ведущих к каждому отдельному участку, было четным, то тогда обход, о котором идет речь, был бы возможен, и в то же время можно было бы начать этот обход с любого участка. Если же из этих чисел два были бы нечетные, ибо только одно быть нечетным не может, то и тогда мог бы совершиться переход, как это предписано, но только начало обхода непременно должно быть взято от одного из тех двух участков, к которым ведет нечетное число мостов. Если бы, наконец, было больше двух участков, к которым ведет нечетное число мостов, то тогда такое движение вообще невозможно… если можно было привести здесь другие, более серьезные задачи, этот метод мог бы принести еще большую пользу и им не следовало бы пренебрегать".
Обоснование вышеприведенного правила можно найти в письме Л. Эйлера к своему другу Элеру. В нем Эйлер писал, что переход возможен, если на участке разветвления реки имеется не более двух областей, в которые ведет нечетное число мостов. Для того, чтобы проще представить себе это, будем стирать на рисунке уже пройденные мосты. Легко проверить, что если мы начнем двигаться в соответствии с правилами Эйлера, пересечем один мост и сотрем его, то на рисунке будет изображен участок, где опять имеется не более двух областей, в которые ведет нечетное число мостов, а при наличии областей с нечетным числом мостов мы будем располагаться в одной из них. Продолжая двигаться так далее, пройдем через все мосты по одному разу.
Эйлер дал ответ на задачу про Кенигсбергские мосты и нашел критерий существования маршрута, удовлетворяющего требованиям задачи. Однако результат, полученный Эйлером, более ста лет оставался единственным результатом теории графов. Развитие теории графов в конце XIX и начале XX вв. было связано с распространением представлений о молекулярном строении вещества и становлением теории электрических цепей. К 50-м годам XX века в теории графов сложились два различных направления: алгебраическое и оптимизационное. Например, поиск ответа на поставленный в задаче о Кенигсбергских вопрос относится к алгебраическому направлению теории графов. А в задаче, где требуется найти маршрут, по которому житель, выйдя из дома, пройдет по каждому мосту хотя бы один раз и вернется домой, причем длина маршрута должна быть минимальной, задача поиска такого маршрута относится к оптимизационному направлению теории графов. Оптимизационное направление получило широкое развитие благодаря появлению ЭВМ, так как для эффективного использования ЭВМ при решении прикладных задач с использованием теории графов необходимы эффективные алгоритмы решения графовых задач.
Широкое развитие теория графов получила в 50-х гг. XX века в связи со становлением кибернетики и развитием вычислительной техники, когда теория графов существенно обогатилась и новым материалом, и новыми подходами и когда началось систематическое изучение графов с разных точек зрения (структурной, информационной и т. д.). Именно в это время формулировались проблематика и методы теории графов. Теория графов находит применение в теории программирования и при построении вычислительных машин, в изучении физических, химических и технологических процессов, в решении задач планирования, в лингвистических и социологических исследованиях и т. д. Теория графов имеет тесные связи как с классическими, так и с новыми разделами математики; это — топология, алгебра, комбинаторный анализ, теория чисел, теория минимизации булевских функций. Теория графов включает большое число разнообразных задач. Одни из них группируются в отдельные направления, другие стоят более изолированно. Среди сложившихся разделов Теория графов следует отметить задачи, относящиеся к анализу графов, определению различных характеристик их строения, например выяснение связности графа: можно ли из любой вершины попасть в любую; подсчёт графов или их частей, обладающих заданными свойствами, например подсчёт количества деревьев с заданным числом рёбер (дерево — неориентированный граф без циклов); решение транспортных задач, связанных с перевозками грузов по сети. Решен ряд задач по синтезу графов с заданными свойствами, например построение графа с заданными степенями вершин (степень вершины — число выходящих из неё рёбер). Имеет прикладное и теоретическое значение задача о выяснении возможности расположения графа на плоскости без самопересечений его рёбер (т. е. является ли данный граф плоским), задача о разбиении графа на минимальное число плоских графов. Для некоторых задач Теория графов (выше были приведены далеко не все) были разработаны методы их решения. Среди них: метод Пойя перечисления и подсчёта графов с заданными свойствами, теорема и алгоритм Форда — Фалкерсона для решения транспортной задачи, «венгерский» алгоритм решения задачи о назначениях и т. д. Почти все задачи теории конечных графов (практически интересны именно графы с конечным числом вершин) могут быть решены путём перебора большого числа вариантов (точнее полный перебор), поэтому для них требуется построение эффективных алгоритмов и использование быстродействующих вычислительных машин. Такими задачами являются: задача о раскраске вершин графа, задача об определении идентичности двух графов, Коммивояжёра задача. Есть задачи, требующие принципиального ответа, например задача о раскраске плоских графов, задача о восстановлении графа по его подграфам и многие другие.