Планарные графы (27-е мая 2019)
- Определения, теоремы
- Планарный граф, плоский граф
- Укладка на плоскости − то же, что и укладка на сфере. Любую грань можно сделать внешней.
- Теорема Эйлера. E+K+1=V+G. Следствие. E ≤ 3V-6 (у каждой грани хотя бы 3 ребра ⇒ E ≥ 1.5*G ⇒ E+K+1 ≤ V+(2/3)E)
- Упражнение: двудольный граф? 2V-4
- Алгоритмическое следствие: во всех алгоритмах на планарных графах E = O(V).
- Теорема Куратовского [1930]: граф планарен iff, не является подразбиением K3,3 или K5.
- Теорема Вагнера (аналог Куратовского) [1937]: граф планарен iff, не содержит подграфов стягиваемых к K3,3 или K5.
- Теорема Фари [1948]: любой планарный граф можно уложить с использованием только прямых отрезков.
- Schnyder [1989]: любой планарный граф при V ≥ 3 можно уложить с использованием только прямых отрезков на гриде размера (V-2)×(V-2). Укладку можно найти за O(V).
- [5 минут] Алгоритмы проверки на планарность и выделения граней
- Demoucron [1964], O(n2)
- Tarjan, Hopcroft [1974], O(n)
- Simply O(n): Ulrik Brandes [2011]; LR-Planarity-Testing; Boyer and Myrvold [2004]
- Tutte Spring Theorem [1963]: любой трёхсвязный планарный граф однозначно укладывается на плоскость таким образом, что каждая его грань, включая внешнюю, − выпуклый многоугольник, а любая внутренняя вершина − центр масс соседей.
- [10 минут] Tutte Spring Theorem: алгоритм укладки прямыми отрезками
- Делаем граф трёхсвязным и триангулируем его
- Алгоритм укладки: уложить как угодно внешнюю грань, любая другая вершина лежит в центре масс соседей.
- Гаусс и метод итерации для решения систем линейных уравнений.
- Убираем лишние рёбра
- [10 минут] Алгоритм Демукрона
- Нарисовали цикл, выделили компоненты, укладываем компоненты независимо
- Укладка компоненты с внешним циклом: нарисовали любой путь путь, разбили цикл на два, компоненту на подкомпоненты, рекурсивно вызвались
- [15 минут] Теорема Тарьяна-Липтона о сепараторе в планарном графе
- Суть: 23/2n1/2 вершин делят граф на части размера ≤ 2/3n
- Следствие 23/2n1/2(1 + (2/3)1/2 + ((2/3)1/2)2 + ...) = 23/2n1/2/(1 - (2/3)1/2) вершин делят граф на части размера ≤ 1/2n
- Поиск максимального независимого множества в планарном графе: T(n) = 2Cn1/2*2*T(n/2) = 2C(n1/2 + (n/2)1/2 + ...) = 2Θ(n1/2).
- Раскраска в k = O(1) цветов: kΘ(n1/2) = 2Θ(n1/2).
- Доказательство теоремы: bfs из ∀ вершины → слои → l1 = разбили на k0 ≤ n/2, k2 ≤ n/2, l0 < l1 : L(l0) + 2(l1-l0) ≤ 2k01/2, l1 < l2 : L(l2) + 2(l2-l1) ≤ 2k21/2. Если l0 ∪ l2 − ответ, закончили. Иначе добавим цикл длины 2(l2 - l0) из конденсированного графа (0...l0) → v и слоёв l0+1..l1-1.
- [5 минут] Закон Кирхгоффа
- Дана сеть из проводников сопротивлений R[i]. Найти сопротивление между s и t.
- u[s] = 0, u[t] = 1, ∀ v : ∑ R[e]-1(u[v] - u[end[e]]) = 0, u[] − неизвестные.
- Часто схема − планарный граф. В планарном графе, где неизвестные − вершины, есть решение системы уравнений за {unknownvariable:v3/2}.
- [10 минут] Алгоритм выделение граней плоского графа
- Данные: xi, yi, edges
- Алгоритм за O(n): храним для каждого ребра next и reversed, dfs по непосещённым рёбрам
- Внешняя грань