Живительная красота графов заключается в их простоте — они состоят лишь из точек и линий, соединяющих эти точки. Но по-настоящему удивительно то, чего можно достичь с помощью анализа этих точек и линий. В этой главе мы приглашаем вас познакомиться с теорией графов. Взглянув на граф станций метро, представленный на рисунке, вы поймете, что эти математические объекты постоянно присутствуют в нашей жизни.

Схема метро — лишь один из немногих примеров использования графов в повседневной жизни. На иллюстрации — схема парижского метро.

Из Кёнигсберга с любовью

Теория графов появилась благодаря одной занимательной задаче, которую решил Леонард Эйлер. История гласит, что в 1736 году этот блестящий математик остановился в Кёнигсберге (в настоящее время — Калининград). Город был разделен рекой на четыре части, которые были соединены семью мостами.

Старинный город  Кёнигсберг на гравюре XVII вена.

На рисунке представлен упрощенный план города, на котором мосты обозначены цифрами, а районы города — буквами.

Эйлер писал об этой задаче: «Насколько я понимаю, эта задача широко известна. Она формулируется так: в прусском городе Кёнигсберге есть остров под названием Кнайпхоф, окруженный двумя рукавами реки Преголя. Через два рукава реки перекинуто семь мостов. Нужно определить, можно ли обойти все мосты, пройдя по каждому ровно один раз. Мне сообщили, что некоторые утверждают, будто это невозможно, другие сомневаются, но никто не верит, что это и в самом деле возможно».

Сам Эйлер определил, что решить задачу невозможно, приведя следующие рассуждения. Расположение районов города можно представить на схеме, где четырем точкам А, В, С и D соответствуют четыре района города, а кривым, соединяющим эти точки, — мосты:

Таким образом, исходная задача эквивалентна следующей, проиллюстрированной рисунком выше: можно ли провести маршрут так, что каждая кривая будет пройдена ровно один раз? Если бы это было возможно, то число линий для каждой точки должно было быть четным (об этом рассказывается в главе 3). Однако число линий для каждой точки на схеме является нечетным. Следовательно, задача не имеет решения.

Кёнигсбергские мосты были разрушены во время Второй мировой войны, но эта история, авторство которой приписывается Эйлеру, дала начало удивительно полезной и красивой математической теории — теории графов. Нужно учитывать, что еще до ее создания многие ученые совершенно независимо друг от друга использовали понятия, которые впоследствии были объединены в теорию графов.

В 1847 году Густав Кирхгоф использовал схемы, подобные графам, при изучении электрических цепей. В 1857 году Артур Кэли изучал число изомеров органического соединения с помощью графов, в которых точки соединялись между собой одной или четырьмя линиями — по числу химических связей. В 1869 году Мари Энмон Камиль Жордан занимался анализом абстрактных древовидных структур. В 1859 году ирландский математик Уильям Роуэн Гамильтон придумал игру (о ней мы расскажем несколько позже), цель которой — обойти вершины многогранника. Несколько лет спустя на основе этой игры были созданы гамильтоновы цепи, которые имеют очень интересное применение. В 1852 году возникла задача о раскраске карт таким образом, чтобы страны с общей границей были окрашены в разные цвета. Эта задача дала начало множеству исследований графов. Психолог Курт Левин ввел в психологию схемы, на которых люди обозначались точками, а личные отношения между ними — линиями. Физики Уленбек, Ли и Янг использовали схемы из точек и линий для изображения структур молекул и взаимодействия между ними.

* * *

ЛЕОНАРД ЭЙЛЕР (1707–1783)

Эйлер был одним из величайших математиков всех времен. Он родился в Швейцарии, большую часть жизни проработал в Берлинской и Петербургской академиях наук. Он опубликовал свыше 500 трудов, а его полное собрание сочинений насчитывает 87 томов. Особо выделяются его работы по алгебре, теории чисел, геометрии, математическому анализу, механике, астрономии и физике. Его именем названо множество теорем; формул и понятий. Любопытно, что больше половины всех своих трудов он создал после того как ослеп в 1766 году. Так как именно Эйлер нашел решение задачи о кёнигсбергских мостах, его считают пионером теории графов.

* * *

Во всех этих случаях конкретная задача изображалась в виде графической схемы, или графа, состоящего из точек и соединяющих их линий. Соответственно, в ходе решения задачи использовался анализ графа. Так как одинаковые графические схемы могут описывать совершенно различные задачи, изучение этих схем позволит найти решение для множества задач одновременно. Разумеется, при построении графа всегда остаются неучтенными какие-то условия и параметры, так как граф должен быть простым. Заметим также, что построение графа не относится к задачам метрической геометрии, то есть точки графа могут соединяться линиями произвольной формы. Главное — отобразить отношения, связи и взаимодействия, а не построить фотографически точную сеть линий и точек.

В течение XX века невероятное развитие получила и сама теория графов, и ее многочисленные применения в самых разных областях, начиная с задач планирования и заканчивая социологией, архитектурой, урбанистикой, инженерией, а особенно в информатике и телекоммуникациях. Графы связаны с комбинаторикой, дискретной математикой, топологией, теорией алгоритмов, теорией узлов и другими разделами математики. Многие математические теории способствовали развитию теории графов, а те в свою очередь позволили решить множество задач в других дисциплинах.

* * *

ПИОНЕРЫ ТЕОРИИ ГРАФОВ

Развитию теории графов в немалой степени способствовали такие выдающиеся ученые, как Уильям Томас Татт, Фрэнк Харари, Эдсгер Вибе Дейкстра и Пол Эрдёш. Теория графов приобрела большую известность благодаря их исследованиям, нестандартным задачам и написанным ими справочникам.

Британский ученый  Уильям Томас Татт (1917–2002) изучал химию, но интерес к занимательным математическим задачам заставил его сменить сферу деятельности. В итоге в 1948 году он получил степень доктора математики и начал заниматься преподаванием и научной деятельностью. Во время Второй мировой войны он внес огромный вклад в расшифровку немецких кодов. Его 168 статей и несколько блестящих книг особенно обогатили теорию графов, а вместе с ней — комбинаторику и дискретную математику. Многие понятия теории графов теперь носят его имя.

Американец Фрэнк Харари (1921–2005) по праву считается основателем современной теории графов. Его 700 статей, выступления на конференциях в 87 странах, основанный им в 1977 году престижный «Журнал теории графов» и его «Теория графов», вышедшая в 1969 году, считающаяся одной из самых значимых книг по этой теме, являются доказательством тому, что он заслужил международное признание. Он применял теорию графов не только в математике и информатике, но также и в антропологии, географии, лингвистике, искусстве, музыке, физике, инженерном деле, исследовании операций и других областях.

Голландский ученый Эдсгер Вибе Дейкстра (1930–2002) заинтересовался компьютерными программами в раннем возрасте и посвятил им всю свою жизнь. Он работал в Голландии, а начиная с 1970 года — в Техасском университете в Остине. В 1972 году он был удостоен престижной премии Тьюринга за фундаментальный вклад в развитие языков программирования. Ему мы обязаны знаменитой фразой «Информатика не более наука о компьютерах, чем астрономия — наука о телескопах». Дейкстра никогда не пользовался компьютером, кроме как для отправки электронной почты и поиска информации в интернете, а все свои труды об алгоритмах и языках программирования он писал… от руки!

Пол Эрдёш (1913–1996) родился и получил образование в Будапеште. За свою жизнь он написал больше работ и сотрудничал с большим числом соавторов, чем любой другой математик XX столетия. Благодаря выдающемуся уму он добился исключительных результатов в теории графов, комбинаторике, геометрии и теории чисел. Он стал автором множества удивительных задач и гипотез, а также написал свыше 1500 статей. Эрдёш был атеистом, но (возможно, не без иронии) утверждал, что где-то в мироздании существует книга, в которой содержатся самые красивые математические доказательства. Безусловно, ученый внес неизмеримый вклад в написание этой книги.

* * *

Азы теории графов

Граф определяется множеством точек (которые также называются вершинами, или узлами графа) и множеством ребер, или дуг графа, которые соединяют его вершины попарно.

На рисунке выше представлены нулевой граф, состоящий из изолированных вершин; полный граф с тремя вершинами и тремя ребрами; граф с шестью вершинами и восьмью ребрами. Две вершины, соединенные ребром, называются смежными. Два ребра, которые имеют общую концевую вершину (инцидентные этой вершине), также называются смежными. Степенью вершины графа называется число инцидентных ей ребер.

Если вершинам графа сопоставить буквы, числа или некую другую информацию, то говорят, что такой граф является помеченным. Если ребрам графа поставлены в соответствие некие веса, такой граф называется взвешенным. Если на ребра графа нанести стрелки, обозначающие направления, то эти ориентированные ребра графа будут называться дугами. Если все ребра графа являются ориентированными, то такой граф называется ориентированным, или орграфом.

Графы также можно представить в виде списков, таблиц и различных выражений. Вершины графа можно изобразить в виде точек, окружностей, треугольников, а ребра — в виде прямых отрезков или фигурно изогнутых линий. Учитывая подобное разнообразие, важно уметь определять, когда два представления графа являются эквивалентными (изоморфными). Эквивалентные представления графа содержат одинаковые вершины и одинаковые связи между ними. Иными словами, между вершинами и ребрами двух представлений должно существовать взаимно однозначное соответствие, такое что степени вершин в обоих случаях будут одинаковы.

Три следующие фигуры — это три разных представления одного и того же графа. Согласитесь, увидеть это не так-то просто!

На рисунках ниже изображены четыре графа — (а), (Ь), (с) и (d). Граф (а) является исходным, остальные три — его подграфы. Это означает, что в них были выбраны лишь некоторые ребра и вершины исходного графа. Подграфы позволяют изучать графы по частям.

Обычно различают три типа графов: обыкновенные графы, мультиграфы и псевдографы. На рисунках ниже слева направо представлены все три типа графов.

В обыкновенном графе две вершины могут соединяться только одним ребром. Если они соединены более чем одним ребром, то такой граф называется мультиграфом. Если вершина мультиграфа может соединяться сама с собой, то такой граф называется псевдографом. Ребро, начало и конец которого находятся в одной вершине, называется петлей. В этой книге все три типа графов мы будем называть просто графами, уточняя возможные ограничения в каждом конкретном случае.

Применительно к различным вариантам обхода графа используются следующие обозначения. Пусть G — помеченный граф с вершинами V 0 , V 1 , V 2 , . и ребрами X 1 , Х 2 , Х 3 , … Тогда маршрутом в графе G будет называться конечная последовательность вида V 0 , X 1 , V 1 , ., V n-1 , X n , V n , в которой чередуются ребра и вершины. Запись вида (V 0 , V 1 , …, V n ) подразумевает, что любые две вершины соединяются только одним ребром, и маршрут определяется указанной последовательностью вершин. Если V 0 = V n , то есть исходная и конечная вершина маршрута совпадают, то маршрут является замкнутым, иначе — открытым. Путь — это маршрут, в котором каждое ребро проходится только один раз. Замкнутый маршрут, содержащий п разных вершин, называется циклом. Обратите внимание, что любой цикл можно представить графически в виде многоугольника, что будет показано позже.

* * *

ГРАФЫ И ГРАФИКИ

Граф. Это слово может означать «пишу» («графология», «графомания», «телеграф»), а в случае теории графов обозначает множество точек и линий между ними. Не следует путать графы и графики. Да, можно заметить, что в графиках линейных функций, образованных прямыми линиями или последовательностью отрезков, соединяющих точки, фактически каждой точке х оси  ОХ сопоставлена точка ( х , f ( x )) на графике функции. Это выполняется и в классических графиках функций, построенных в декартовых координатах с двумя осями X и Y , на которых отмечаются точки ( х , f ( x )), образующие график функции у  = f ( х ). Тем не менее это множество точек и линий нельзя назвать графом.

Графы обычно используются для представления отношений между элементами конечного множества. Например, чтобы представить отношения эквивалентности, позволяющие разделить элементы множества на классы, «точками» графа изображают элементы множества и соединяют «линиями» связанные или эквивалентные элементы (если элемент связан сам с собой, то на графе образуется петля). Отношения порядка изображаются с помощью ориентированных графов. Дуги со стрелками означают отношение «меньше, чем». Связь теории графов и теории множеств более подробно объясняется в Приложении.

* * *

Если между любыми двумя вершинами графа можно провести маршрут, то говорят, что граф является связным, как в случаях, представленных на рисунках выше. Для связных графов имеет смысл определить расстояние между вершинами u и v как минимальное количество ребер, образующих маршрут между u и v.

В приведенных выше двух примерах на рисунке слева изображен связный граф, на рисунке справа — несвязный.

* * *

ГРАФЫ И ЧИСЛА

Если две вершины графа могут соединяться не более чем одним ребром, то такой граф можно выразить таблицей чисел, или матрицей. Связный граф ABCDE , изображенный на рисунке, можно представить в виде следующей таблицы. Если соответствующие вершины соединены ребром, в ячейке записывается 1, если нет — 0.

ПЕРЕДАЧА СООБЩЕНИЙ И ОШИБКИ

В 1956 году Клод Шеннон, создатель теории информации, занялся проблемами передачи сообщений по каналам связи, где сигнал может искажаться. В подобных задачах канал связи представляется в виде графа: его вершины соответствуют символам сообщения, а ребра соединяют вершины, соответствующие символам, которые можно перепугать между собой при передаче данных.

* * *

Геометрические и полные графы

Циклы — это очень простые маршруты, проходящие через все вершины, начальная и конечная точка которых совпадают. Примеры циклов представлены на следующих рисунках.

Подобными графами можно представить маршруты городских автобусов или маршруты патрулей. Число вершин V равно числу ребер А.

Совокупность циклов образует так называемый геометрический граф — плоскую фигуру из вершин (точек плоскости) и ребер (линий, соединяющих некоторые пары вершин). Область, ограниченная ребрами и не содержащая внутри себя вершин и ребер графа, называется гранью. Подсчитать общее число вершин V и число ребер А несложно.

При подсчете числа граней С следует учитывать, что внешняя часть плоскости также образует грань, так как она тоже ограничена циклом из вершин и ребер графа. Таким образом, граф, изображенный на следующем рисунке, имеет 10 вершин, 14 ребер и 6 граней.

Графы, в которых любая пара вершин соединена ребром, называются полными. На следующих рисунках приведены полные графы с числом вершин от 2 до 7. Полный граф с n вершинами обозначается К n .

Подсчитать число ребер полного графа К n очень просто: каждая вершина должна соединяться с n — 1 вершиной, число вершин равно n, следовательно, значение выражения n(n — 1) будет равно удвоенному числу ребер (так как каждое ребро соединяет две вершины). Поэтому общее число ребер будет равно n(n — 1)/2 — биномиальному коэффициенту  , равному числу всех возможных пар на множестве из n элементов. Зависимость между числом ребер и n является квадратичной, следовательно, число ребер Кn   будет возрастать очень быстро.

* * *

ТЕОРЕМА ТУРАНА

В 1941 году Пал Туран поставил следующую задачу. Пусть дан простой граф G с n вершинами, число р ( р >= 2) — число вершин полного р -вершинного подграфа графа  G  (иными словами, К р ). Вопрос таков: каково максимальное число ребер графа, который не содержит подобный р -вершинный подграф? Удивительно, но число ребер не может быть больше, чем n 2 р /2( р -1). Эта теорема и ее очень красивое доказательство занимают важное место в теории графов.

* * *

Плоские графы

Определив вершины графа, их можно соединить ребрами так, как показано на следующих рисунках.

Однако эти графы можно изобразить иначе: сохранить прежние связи между вершинами, но избежать пересечений ребер в точках, которые не являются вершинами графа, как в двух предыдущих случаях. Новые изображения представлены на следующих рисунках:

Граф называется планарным, если его можно изобразить на плоскости так, что его ребра будут пересекаться только в вершинах графа (такое изображение называется плоским графом). Заметим, что для анализа планарности графа нужно определить, существует ли эквивалентный (изоморфный) ему граф, который можно изобразить без ненужных пересечений ребер. Было бы очень удобно, если бы все графы были планарными. Но так ли это? Прежде чем приступить к поискам ответа на этот вопрос, подумаем над самой известной задачей занимательной математики, посвященной графам.

* * *

ЭЛЕГАНТНЫЕ ПЛОСКИЕ ГРАФЫ

Не следует думать, что ребра плоского графа должны иметь какую-то причудливую форму. Любой плоский граф можно изобразить так, что его ребра будут отрезками и эти отрезки будут пересекаться только в вершинах графа. Сложно представить что-то более элегантное.

* * *

Задача о колодцах и враждующих семьях

Задача звучит так: в трех домах а, Ь, с живут три семьи, враждующие между собой. Рядом с их домами находятся три колодца е, f, g. Один из колодцев всегда полон, два других пусты. Соседи хотят проложить дорожки так, чтобы из каждого дома можно было попасть к каждому колодцу. Никакие две дорожки не должны пересекаться, чтобы каждый мог избежать встреч с соседями. Можно ли проложить девять дорожек таким способом?

На рисунке слева показана первая попытка соединить дома а, Ь, с и колодцы е, f, g. Такой граф обозначается К 3,3 . Получилось множество нежелательных пересечений. На рисунке справа тот же граф изображен иначе, но избежать пересечений по-прежнему не удалось. Заметим, что если убрать дорожку от дома Ь к колодцу g, то можно проложить восемь дорожек без пересечений, как показано на двух следующих рисунках.

Можно ли добавить к этому графу недостающее ребро так, чтобы не пересекать остальные? Будет уместно привести одно интуитивно понятное утверждение (любопытно, что доказать его непросто): если простая плоская замкнутая непрерывная кривая делит плоскость на две части (внешнюю и внутреннюю), то любая непрерывная кривая, соединяющая точку внешней части и точку внутренней части, пересечет данную кривую минимум один раз. Это утверждение носит название теоремы Жордана. Посмотрим снова на рисунок выше и увидим, что в обоих случаях точка g находится внутри непрерывной замкнутой кривой, а точка Ь — вне ее.

Следовательно, задача о колодцах не имеет решения. Единственный способ, которым можно проложить дорожку из дома Ь к колодцу g — это построить мост, проходящий поверх одной из дорожек.

В задаче о колодцах представлен первый пример непланарного графа. Граф, который мы обозначили К 3,3 , не является планарным. Еще один простой пример непланарного графа — это полный граф К 5 в форме пятиугольника с пятиугольной звездой внутри, изображенный на рисунке:

Дальше все будет только усложняться. Графы К 3,3 и К 5 не являются планарными, и если мы добавим к ним еще несколько ребер и вершин, то полученные графы также не будут планарными — этому будут мешать излишние пересечения ребер. Таким образом, можно привести бесконечно много примеров непланарных графов. Благодаря теореме, открытой Куратовским, нас ожидает приятный сюрприз. Заметим, что два графа называются гомеоморфными, если после удаления всех вершин степени 2 полученные графы будут идентичными или изоморфными. Теорема Куратовского звучит так:

«Граф является планарным тогда и только тогда, когда он не содержит ни одного подграфа, гомеоморфного К 3,3  или К 5 ».

Чтобы определить, является ли граф планарным, нужно удалить все вершины степени 2 и проверить, не содержит ли полученный граф К 3,3  или К 5 .

* * *

КАЗИМИР КУРАТОВСКИЙ (1896–1980)

Профессор Куратовский был одним из великих польских математиков, возглавлял группы исследователей и сотрудничал с крупнейшими математиками мира. Он занимался логикой, топологией, теорией множеств, а в 1930 году удивил весь мир знаменитой теоремой о планарных графах. Хотя определить планарность графа на практике сложно, теорема Куратовского имеет очень простую формулировку.

ПРИМЕНЕНИЕ В АРХИТЕКТУРЕ

При работе над архитектурными проектами интерес представляет анализ графа доступности пространств. Если этот граф не является планарным, нужно будет построить несколько этажей и лестниц. Если же полученный граф является планарным, то допустимо расположение всех нужных помещений на одном этаже.

* * *

Деревья, за которыми виден лес

Дерево — это очень простой граф, все вершины которого соединены так, что отсутствуют циклы, как, например, на следующем рисунке:

В дереве можно проложить маршрут между любыми двумя вершинами.

Далее приведены все возможные деревья с числом вершин от 1 до 8.

Последовательность чисел, обозначающих количество всех возможных деревьев для каждого числа вершин, выглядит так: 1, 1, 1, 2, 3, 6, 11, 23, 47, 106, 235, 551, 1301, 3159…

Если дерево имеет р вершин, то в нем всегда будет р — 1 ребер, но для каждого значения р можно изобразить рр -2 разных деревьев (формула Кэли). Понятие дерева впервые ввел Кэли в 1857 году. Деревья образуют очень важный класс графов, так как в них все вершины соединены минимально возможным числом ребер. Благодаря этому деревья находят интересное применение в самых разных областях: при проектировании электрических цепей, телефонных сетей, при поиске маршрутов между населенными пунктами и так далее.

Следующая простая и красивая теорема дает характеристику деревьям, а также имеет крайне важное практическое значение:

«Граф G является деревом тогда и только тогда, когда между любыми двумя различными его вершинами u и v существует единственный путь. Это равносильно следующему утверждению: С является связным графом, если он имеет р вершин и р — 1 ребро».

Несмотря на простоту этой теоремы, число возможных деревьев по мере увеличения р возрастает очень быстро.

Причина этому такова. Пусть G — дерево. Даны две вершины G, u и v. Так как граф G является связным, то существует по меньшей мере один путь между u и v. Если бы между этими вершинами существовало два пути, С 1 и С 2 , то в графе G образовался бы цикл, что невозможно. Разумеется, если между двумя произвольными вершинами графа существует единственный путь, граф является связным и не содержит циклов.

* * *

ДЕРЕВЬЯ И ВЕРОЯТНОСТИ

При анализе вероятностей различных событий (например, в играх) возможные альтернативные исходы и соответствующие вероятности часто представляют в форме дерева, где вершины соответствуют возможным исходам, а ребра — значениям вероятностей возможных исходов. Соответствующие расчеты выполняются на основе дерева. На рисунке представлено дерево, соответствующее игре, в которой нужно бросить сначала монету, затем — кубик. В теории игр, которая широко применяется в экономике, подобные представления используют очень часто.

Для расчета вероятностей нужно четко представлять все возможные исходы.

* * *

У. УИНГФИЛД И А. А. МАРКОВ : ТЕННИС И ТЕОРИЯ ГРАФОВ

Уолтер Уингфилд (1833–1912) запатентовал игру под названием теннис в феврале 1874 года. Андрей Андреевич Марков (1856–1922) занимался изучением последовательностей случайных событий, которые позднее стали называться цепями Маркова. Цепь Маркова представляет собой ориентированный граф, вершинам которого соответствуют состояния, а дугам — переходы из одного состояния в другое в зависимости от вероятности исходного события, но не всей последовательности предшествующих событий. Уингфилда и Маркова объединяет работа А. Л. Садовского и Л. Е. Садовского «Математика и спорт», в которой цепи Маркова используются для анализа теннисных партий. Так, на рисунке вероятности возможных исходов для каждого события соответственно равны 0,6 и 0,4.

* * *

Рассмотрим задачу, которую можно решить с помощью деревьев. Даны n городов A 1 , А 2 … А n . Зная затраты на установление сообщения между каждой парой городов (стоимость строительства дорог, прокладки водо- и газопровода, линий электропередачи, телефонных линий), определите, как можно соединить города самым дешевым способом. Очевидно, что сеть «экономических связей» будет деревом, так как все города должны быть связаны друг с другом и не должно существовать циклов. Если бы в этой сети существовал цикл, можно было бы удалить одно из его ребер и все города по-прежнему были бы соединены между собой, но уже при меньших затратах.

Следовательно, дерево связей между n городами будет иметь n — 1 ребро. Соединим два города, для которых стоимость прокладки всех коммуникаций будет наименьшей. Затем соединим один из них с третьим городом, для которого стоимость коммуникаций будет минимальной, и так далее. Как называется множество различных графов, которые являются деревьями?

Наверное, вы уже догадались: такое множество называется лесом. Вопреки известной пословице, в теории графов за деревьями лес виден.

* * *

ГРАФЫ И ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЕ ДЕРЕВЬЯ

Родословную человека или семьи можно представить в четкой и упорядоченной форме с помощью графа, в вершинах которого размещаются фотографии, имена и годы жизни родственников, а ребра графа указывают на родственные отношения. Такое дерево может быть нисходящим и изображать всех потомков одной супружеской пары или восходящим, на котором будут представлены все предки конкретного человека.

В прошлом генеалогические деревья изображались в виде настоящих деревьев с ветвями и листьями. Сегодня благодаря использованию графов генеалогические деревья стали более понятными, пусть и менее живописными. Многие из них представлены в цифровом виде (различные программы для составления генеалогических деревьев можно найти в интернете). В настоящее время в виде генеалогических деревьев также изображают родословные собак, скаковых лошадей, боевых быков, связи политических партий, музыкальных жанров, родственных языков и многое другое. Быть может, читатель захочет составить свое генеалогическое древо по прочтении этой главы.

Современное генеалогическое древо царской семьи  Романовых , составленное на компьютере, и генеалогическое древо семейства  Ругон-Маккаров из произведений писателя  Эмиля Золя , составленное в 1878 году.

ГРАФ МАТЕМАТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

По адресу http://genealogy.math.ndsu.nodak.edu находится страница математического генеалогического проекта (Mathematics Genealogy Project), на которой собраны данные о математиках и их «потомках» — тех ученых, которые защитили докторскую диссертацию под их руководством. Проект непрерывно пополняется данными о все новых и новых диссертациях, и постепенно формируется дерево взаимосвязей между всеми математиками. По состоянию на апрель 2010 года были собраны данные о 140 982 математиках.

Главная страница проекта Mathematics Genealogy Project

* * *

Графы в повседневной жизни

Помимо генеалогических деревьев, которые даже могут висеть в гостиной, графы используются на телевидении для представления числа происшествий, уровня безработицы, биржевых котировок по дням и по годам. Наручные часы — это граф с 12 вершинами; в виде геометрических графов можно изобразить план вашей квартиры, посуду, украшения и так далее. GPS, карты и автомобильные маршруты, представленные в интернете, — еще один прекрасный пример использования графов. Ребрами в них являются улицы и автодороги, вершинами — населенные пункты и города. Вершины таких графов имеют наименования, ребрам соответствуют числа, обозначающие расстояния в километрах. Таким образом, полученный граф является помеченным и взвешенным.

Эта карта автомобильных дорог 1929 года — прекрасный пример графа.

Иногда подобные графы выглядят еще проще. На следующих рисунках представлены еще две схемы.

Графы на схеме проезда от аэропорта до одной из гостиниц Токио.

Графы помогают наглядно представить себе схемы общественного транспорта, что облегчает планирование поездки. Те же графы используются при проектировании новых линий и остановок. На схеме нью-йоркского метрополитена в виде графа представлены линии метро (изображены цветными ребрами), станции и переходы. Впервые графы были применены на схемах метро в лондонском метрополитене. Графы авиалиний, на которых из одной точки (аэропорта) выходит множество линий (маршрутов), выглядят намного сложнее.

Графы, изображающие транспортные сети, должны быть очень четкими, чтобы на них можно было увидеть не только возможные маршруты, но также переходы между станциями.

Четкость и простота играют решающую роль в создании таких графов, как схема нью-йоркского метро, которое ежедневно обслуживает миллионы пассажиров.

* * *

ГРАФ ЛОНДОНСКОГО МЕТРО

В 1909 году управляющий лондонским метрополитеном Фрэнк Пик, который курировал вопросы дизайна, поручил дизайнерам разработку схем метро, которые помогли бы пассажирам перемещаться по сложной сети линий и станций. Многие дизайнеры потерпели неудачу, так как на их схемах не соединенные друг с другом станции изображались поверх карты города, из-за чего пассажирам было непонятно, какую линию метро нужно выбрать. Задачу решил инженер и дизайнер Генри Бек (1903–1974) . Гениальность идеи Бека состояла в том, что он упростил схему, сохранив лишь основу графа линий и станций метро. Он расположил линии и станции так, что линии пересекались под углом в 45 или 90°, за счет чего схема становилась очень наглядной. В качестве единственной привязки к местности на схеме осталась только река Темза.

* * *

Существует множество схем организационной структуры подобных тем, что изображены на следующих рисунках. Сегодня их можно встретить на производстве, на предприятиях и в вузах. Такие схемы называются органиграммами.

Органиграммы проясняют зависимость, возможные маршруты, альтернативы, которым стоит уделить внимание, алгоритмы, которым нужно следовать. Порядок и четкость — таковы их главные принципы.

На органиграмме на рисунке ниже представлена схема организационной структуры муниципального совета латиноамериканского города. В руках мэра сосредоточены обширные полномочия: он управляет всеми, включая владельцев баров и водопроводчиков.

Если вы хотите спланировать путешествие, то также можете использовать граф, отобразив на нем сроки, затраты, переезды, время ожидания и многое другое. Даже если вы поудобнее устроились на диване и решили прочитать «Остров сокровищ», то и там вам встретится граф, который будет указывать, где лежит заветный клад.

В следующих главах этой книги вы узнаете, как графы используются в телекоммуникациях, в интернете, при планировании затрат, уборке улиц, доставке, сборе почты, в урбанистике, при планировке квартир и так далее. Графы, составленные специалистами, определяют наше качество жизни: они применяются при уборке улиц, позволяют найти кратчайший путь из одной точки города в другую, спланировать вывоз мусора. Благодаря им дома становятся комфортными, а города — удобными для жизни.

* * *

ГРАФЫ И ИСКУССТВО

С рождением абстрактного искусства художники и скульпторы начали постепенно переходить от изображения людей, предметов и пейзажей к анализу форм и цветов, представляющих формальные абстрактные связи между вещами и явлениями. Произошла смена парадигмы: идеал эпохи Возрождения, где картина являла собой окно в реальный мир, сменился сюрреалистичным представлением: «картину создает зритель». Начиная с работ, например, Василия Кандинского (1866–1944) и  Тео ван Дусбурга (1883–1931) , имевших большое влияние, основные цвета и базовые геометрические фигуры начали набирать силу в искусстве, пробуждая эмоции, изображая красоту, при этом не отражая реальность. Точки и линии (и снова графы!) стали основными элементами искусства.

«Диссонансная контркомпозиция № 16»  Тео ван Дусбурга .