Способы представления графов матрица инцидентности
Граф – совокупность точек, соединенных линиями. Точки называются вершинами , или узлами , а линии – ребрами , или дугами .
Степень входа вершины – количество входящих в нее ребер, степень выхода – количество исходящих ребер.
Граф, содержащий ребра между всеми парами вершин, является полным .
Встречаются такие графы, ребрам которых поставлено в соответствие конкретное числовое значение, они называются взвешенными графами , а это значение – весом ребра .
Когда у ребра оба конца совпадают, т.е. оно выходит из вершины и входит в нее, то такое ребро называется петлей .
Классификация графов
Графы делятся на
- связные
- несвязные
В связном графе между любой парой вершин существует как минимум один путь.
В несвязном графе существует хотя бы одна вершина, не связанная с другими.
Графы также подразделяются на
- ориентированные
- неориентированные
- смешанные.
В ориентированном графе ребра являются направленными, т.е. существует только одно доступное направление между двумя связными вершинами.
В неориентированном графе по каждому из ребер можно осуществлять переход в обоих направлениях.
Частный случай двух этих видов – смешанный граф. Он характерен наличием как ориентированных, так и неориентированных ребер.
Способы представления графа
Граф может быть представлен (сохранен) несколькими способами:
- матрица смежности;
- матрица инцидентности;
- список смежности (инцидентности);
- список ребер.
Использование двух первых методов предполагает хранение графа в виде двумерного массива (матрицы). Размер массива зависит от количества вершин и/или ребер в конкретном графе.
Матрица смежности графа — это квадратная матрица, в которой каждый элемент принимает одно из двух значений: 0 или 1.
Число строк матрицы смежности равно числу столбцов и соответствует количеству вершин графа.
- 0 – соответствует отсутствию ребра,
- 1 – соответствует наличию ребра.
Когда из одной вершины в другую проход свободен (имеется ребро), в ячейку заносится 1, иначе – 0. Все элементы на главной диагонали равны 0 если граф не имеет петель.
Матрица инцидентности (инциденции) графа — это матрица, количество строк в которой соответствует числу вершин, а количество столбцов – числу рёбер. В ней указываются связи между инцидентными элементами графа (ребро(дуга) и вершина).
В неориентированном графе если вершина инцидентна ребру то соответствующий элемент равен 1, в противном случае элемент равен 0.
В ориентированном графе если ребро выходит из вершины, то соответствующий элемент равен 1, если ребро входит в вершину, то соответствующий элемент равен -1, если ребро отсутствует, то элемент равен 0.
Матрица инцидентности для своего представления требует нумерации рёбер, что не всегда удобно. 
Список смежности (инцидентности)
Если количество ребер графа по сравнению с количеством вершин невелико, то значения большинства элементов матрицы смежности будут равны 0. При этом использование данного метода нецелесообразно. Для подобных графов имеются более оптимальные способы их представления.
По отношению к памяти списки смежности менее требовательны, чем матрицы смежности. Такой список можно представить в виде таблицы, столбцов в которой – 2, а строк — не больше, чем вершин в графе.
В каждой строке в первом столбце указана вершина выхода, а во втором столбце – список вершин, в которые входят ребра из текущей вершины.
Преимущества списка смежности:
- Рациональное использование памяти.
- Позволяет быстро перебирать соседей вершины.
- Позволяет проверять наличие ребра и удалять его.
Недостатки списка смежности:
- При работе с насыщенными графами (с большим количеством рёбер) скорости может не хватать.
- Нет быстрого способа проверить, существует ли ребро между двумя вершинами.
- Количество вершин графа должно быть известно заранее.
- Для взвешенных графов приходится хранить список, элементы которого должны содержать два значащих поля, что усложняет код:
- номер вершины, с которой соединяется текущая;
- вес ребра.
Список рёбер
В списке рёбер в каждой строке записываются две смежные вершины и вес соединяющего их ребра (для взвешенного графа).
Количество строк в списке ребер всегда должно быть равно величине, получающейся в результате сложения ориентированных рёбер с удвоенным количеством неориентированных рёбер. 
Какой способ представления графа лучше? Ответ зависит от отношения между числом вершин и числом рёбер. Число ребер может быть довольно малым (такого же порядка, как и количество вершин) или довольно большим (если граф является полным). Графы с большим числом рёбер называют плотными , с малым — разреженными . Плотные графы удобнее хранить в виде матрицы смежности, разреженные — в виде списка смежности.
Алгоритмы обхода графов
Основными алгоритмами обхода графов являются
Поиск в ширину подразумевает поуровневое исследование графа:
- вначале посещается корень – произвольно выбранный узел,
- затем – все потомки данного узла,
- после этого посещаются потомки потомков и т.д.
Вершины просматриваются в порядке возрастания их расстояния от корня.
Алгоритм прекращает свою работу после обхода всех вершин графа, либо в случае выполнения требуемого условия (например, найти кратчайший путь из вершины 1 в вершину 6).
Каждая вершина может находиться в одном из 3 состояний:
- 0 — оранжевый – необнаруженная вершина;
- 1 — зеленый – обнаруженная, но не посещенная вершина;
- 2 — серый – обработанная вершина.
Фиолетовый – рассматриваемая вершина. 
Применения алгоритма поиска в ширину
- Поиск кратчайшего пути в невзвешенном графе (ориентированном или неориентированном).
- Поиск компонент связности.
- Нахождения решения какой-либо задачи (игры) с наименьшим числом ходов.
- Найти все рёбра, лежащие на каком-либо кратчайшем пути между заданной парой вершин.
- Найти все вершины, лежащие на каком-либо кратчайшем пути между заданной парой вершин.
Алгоритм поиска в ширину работает как на ориентированных, так и на неориентированных графах.
Для реализации алгоритма удобно использовать очередь.
Реализация на C++ (с использованием очереди STL)
Результат выполнения 
Задача поиска кратчайшего пути
Реализация на С++
Поиск в глубину – это алгоритм обхода вершин графа.
Поиск в ширину производится симметрично (вершины графа просматривались по уровням). Поиск в глубину предполагает продвижение вглубь до тех пор, пока это возможно. Невозможность продвижения означает, что следующим шагом будет переход на последний, имеющий несколько вариантов движения (один из которых исследован полностью), ранее посещенный узел (вершина).
Отсутствие последнего свидетельствует об одной из двух возможных ситуаций:
- все вершины графа уже просмотрены,
- просмотрены вершины доступные из вершины, взятой в качестве начальной, но не все (несвязные и ориентированные графы допускают последний вариант).
Каждая вершина может находиться в одном из 3 состояний:
- 0 — оранжевый – необнаруженная вершина;
- 1 — зеленый – обнаруженная, но не посещенная вершина;
- 2 — серый – обработанная вершина;
Фиолетовый – рассматриваемая вершина. 
Применения алгоритма поиска в глубину
- Поиск любого пути в графе.
- Поиск лексикографически первого пути в графе.
- Проверка, является ли одна вершина дерева предком другой.
- Поиск наименьшего общего предка.
- Топологическая сортировка.
- Поиск компонент связности.
Алгоритм поиска в глубину работает как на ориентированных, так и на неориентированных графах. Применимость алгоритма зависит от конкретной задачи.
Для реализации алгоритма удобно использовать стек или рекурсию.
Реализация на C++ (с использованием стека STL)
Результат выполнения 
Задача поиска лексикографически первого пути на графе.
Реализация на C++
Результат выполнения 
Поиск в глубину также может быть реализован с использованием рекурсивного алгоритма.
Реализация обхода графа в глубину на C++ (с использованием рекурсии)
Источник
Теория графов. Часть третья (Представление графа с помощью матриц смежности, инцидентности и списков смежности)
Все, что познается, имеет число, ибо невозможно ни понять ничего, ни познать без него – Пифагор
Список смежности (инцидентности)
Взвешенный граф (коротко)
Итак, мы умеем задавать граф графическим способом. Но есть еще два способа как можно задавать граф, а точнее представлять его. Для экономии памяти в компьютере граф можно представлять с помощью матриц или с помощью списков.
Матрица является удобной для представления плотных графов, в которых число ребер близко к максимально возможному числу ребер (у полного графа).
Другой способ называется списком. Данный способ больше подходит для более разреженных графов, в котором число ребер намного меньше максимально возможного числа ребер (у полного графа).
Перед чтением материала рекомендуется ознакомится с предыдущей статьей, о смежности и инцидентности, где данные определения подробно разбираются.
Матрица смежности
Но тем кто знает, но чуть забыл, что такое смежность есть краткое определение.
Смежность – понятие, используемое только в отношении двух ребер или в отношении двух вершин: два ребра инцидентные одной вершине, называются смежными; две вершины, инцидентные одному ребру, также называются смежными.
Матрица (назовем ее L) состоит из n строк и n столбцов и поэтому занимает n^2 места.
Каждая ячейка матрицы равна либо 1, либо 0;
Ячейка в позиции L (i, j) равна 1 тогда и только тогда, когда существует ребро (E) между вершинами (V) i и j. Если у нас положение (j, i), то мы также сможем использовать данное правило. Из этого следует, что число единиц в матрице равно удвоенному числу ребер в графе. (если граф неориентированный). Если ребра между вершинами i и j не существует, то ставится 0.
Для практического примера возьмем самый обыкновенный неориентированный граф:
А теперь представим его в виде матрицы:
Ячейки, расположенные на главной диагонали всегда равны нулю, потому что ни у одной вершины нет ребра, которое и начинается, и заканчивается в ней только если мы не используем петли. То есть наша матрица симметрична относительно главной диагонали. Благодаря этому мы можем уменьшить объем памяти, который нам нужен для хранения.
С одной стороны объем памяти будет:
Но используя вышеописанный подход получается:
Потому что нижнюю часть матрицы мы можем создать из верхней половины матрицы. Только при условии того, что у нас главная диагональ должна быть пустой, потому что при наличии петель данное правило не работает.
Если граф неориентированный, то, когда мы просуммируем строку или столбец мы узнаем степень рассматриваемой нами вершины.
Если мы используем ориентированный граф, то кое-что меняется.
Здесь отсутствует дублирование между вершинами, так как если вершина 1 соединена с вершиной 2, наоборот соединена она не может быть, так у нас есть направление у ребра.
Возьмем в этот раз ориентированный граф и сделаем матрицу смежности для него:
Если мы работаем со строкой матрицы, то мы имеем элемент из которого выходит ребро, в нашем случаи вершина 1 входит в вершину 2 и 8. Когда мы работаем со столбцом то мы рассматриваем те ребра, которые входят в данную вершину. В вершину 1 ничего не входит, значит матрица верна.
Если бы на главной диагонали была бы 1, то есть в графе присутствовала петля, то мы бы работали уже не с простым графом, с каким мы работали до сих пор.
Используя петли мы должны запомнить, что в неориентированном графе петля учитывается дважды, а в ориентированном — единожды.
Матрица инцидентности
Инцидентность – понятие, используемое только в отношении ребра и вершины: две вершины (или два ребра) инцидентными быть не могут.
Матрица (назовем ее I) состоит из n строк которое равно числу вершин графа, и m столбцов, которое равно числу ребер. Таким образом полная матрица имеет размерность n x m. То есть она может быть, как квадратной, так и отличной от нее.
Ячейка в позиции I (i, j) равна 1 тогда, когда вершина инцидентна ребру иначе мы записываем в ячейку 0, такой вариант представления верен для неориентированного графа.
Сразу же иллюстрируем данное правило:
Сумма элементов i-ой строки равна степени вершины.
При ориентированным графе, ячейка I (i, j) равна 1, если вершина V (i) начало дуги E(j) и ячейка I (i, j) равна -1 если вершина V (i) конец дуги E (j), иначе ставится 0.
Одной из особенностей данной матрицы является то, что в столбце может быть только две ненулевых ячейки. Так как у ребра два конца.
При суммировании строки, ячейки со значением -1, могут складываться только с ячейками, также имеющими значение -1, то же касается и 1, мы можем узнать степень входа и степень выхода из вершины. Допустим при сложении первой вершины, мы узнаем, что из нее исходит 1 ребро и входят два других ребра. Это является еще одной особенностью (при том очень удобной) данной матрицы.
Список смежности (инцидентности)
Список смежности подразумевает под собой, то что мы работаем с некоторым списком (массивом). В нем указаны вершины нашего графа. И каждый из них имеет ссылку на смежные с ним вершины.
В виде списка это будет выглядеть так:
Неважно в каком порядке вы расположите ссылку так как вы рассматриваете смежность относительно первой ячейки, все остальные ссылки указывают лишь на связь с ней, а не между собой.
Так как здесь рассматривается смежность, то здесь не обойдется без дублирования вершин. Поэтому сумма длин всех списков считается как:
Когда мы работаем с ориентированным графом, то замечаем, что объем задействованной памяти будет меньше, чем при неориентированном (из-за отсутствия дублирования).
Сумма длин всех списков:
Со списком инцидентности все просто. Вместо вершин в список (массив) вы вставляете рёбра и потом делаете ссылки на те вершины, с которыми он связан.
К недостатку списка смежности (инцидентности) относится то что сложно определить наличие конкретного ребра (требуется поиск по списку). А если у вас большой список, то удачи вам и творческих успехов! Поэтому, чтобы работать максимальной отдачей в графе должно быть мало рёбер.
Взвешенность графа
Взвешенный граф — это граф, в котором вместо 1 обозначающее наличие связи между вершинами или связи между вершиной и ребром, хранится вес ребра, то есть определённое число с которым мы будем проводить различные действия.
К примеру, возьмем граф с весами на ребрах:
И сделаем матрицу смежности:
В ячейках просто указываем веса ребра, а в местах где отсутствует связь пишем 0 или -∞.
Более подробно данное определение будет рассмотрено при нахождении поиска кратчайшего пути в графе.
Итак, мы завершили разбор представления графа с помощью матрицы смежности и инцидентности и списка смежности (инцидентности). Это самые известные способы представления графа. В дальнейшем мы будем рассматривать и другие матрицы, и списки, которые в свою очередь будут удобны для представления графа с определёнными особенностями.
Если заметили ошибку или есть предложения пишите в комментарии.
Источник
