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图与网络模型及方法 概论 应用 两个指定顶点之间的最短距离 * * 图论起源于18世纪。第一篇图论论文是瑞士数学家欧拉于1736 年发表的 “哥尼斯堡的七座桥”。 1847年，克希霍夫为了给出电网络方程而引进了“树”的概念。 1857年，凯莱在计数烷的同分异构物时，也发现了“树”。哈密尔顿于1859年提出 “周游世界”游戏，用图论的术语，就是如何找出一个连通图中的生成圈 。 近几十年来，由于计算机技术和科学的飞速发展，大大地促进了图论研究和应用，图论的 理论和方法已经渗透到物理、化学、通讯科学、建筑学、生物遗传学、心理学、经济学、 社会学等学科中。 图得概念：图论中所谓的“图”是指某类具体事物和这些事物之间的联系。如果我们用点表 示这些具体事物，用连接两点的线段（直的或曲的）表示两个事物的特定的联系，就得到 了描述这个“图”的几何形象。图论为任何一个包含了一种二元关系的离散系统提供了一个 数学模型，借助于图论的概念、理论和方法，可以对该模型求解。 例子：哥尼斯堡七桥问题：在哥尼斯堡有七座桥将普莱格尔河中的两个岛及岛与 河岸联结起来问题是要从这四块陆地中的任何一块开始通过每一座桥正好一次， 再回到起点 可以通过试验去尝试解决这个问题，但该城居民的任何尝试均未成功。欧拉为了解决 这个问题，采用了建立数学模型的方法。他将每一块陆地用一个点来代替，将每一座 桥用连接相应两点的一条线来代替，从而得到一个有四个“点”，七条“线”的“图”。问题 成为从任一点出发一笔画出七条线再回到起点。欧拉考察了一般一笔画的结构特点，给出 了一笔画的一个判定法则：这个图是连通的，且每个点都与偶数线相关联，将这个判定法 则应用于七桥问题，得到了“不可能走通”的结果，不但彻底解决了这个问题，而且开创了 图论研究的先河。 图论的应用：图与网络是运筹学（Operations Research）中的一个经典和重要的分 支，所研究的问题涉及经济管理、工业工程、交通运输、计算机科学与信息技术、 通讯与网络技术等诸多领域。 图与网络优化的一些基本问题： 例1 最短路问题（SPP－shortest path problem） 一名货柜车司机奉命在最短的时间内将一车货物从甲地运往乙地。从甲地到乙地的公 路网纵横交错，因此有多种行车路线，这名司机应选择哪条线路呢？假设货柜车的运行 速度是恒定的，那么这一问题相当于需要找到一条从甲地到乙地的最短路。 例2 公路连接问题 某一地区有若干个主要城市，现准备修建高速公路把这些城市连接起来，使得从其中 任何一个城市都可以经高速公路直接或间接到达另一个城市。假定已经知道了任意两 个城市之间修建高速公路的成本，那么应如何决定在哪些城市间修建高速公路，使得 总成本最小？ 例3 指派问题（assignment problem） 一家公司经理准备安排名员工去完成项任务，每人一项。由于各员工的特点不同，不 同的员工去完成同一项任务时所获得的回报是不同的。如何分配工作方案可以使总回 报最大？ 例4 中国邮递员问题（CPP－chinese postman problem） 一名邮递员负责投递某个街区的邮件。如何为他（她）设计一条最短的投递路线（从 邮局出发，经过投递区内每条街道至少一次，最后返回邮局）？由于这一问题是我国 管梅谷教授1960年首先提出的，所以国际上称之为中国邮递员问题。 例5 旅行商问题（TSP－traveling salesman problem） 一名推销员准备前往若干城市推销产品。如何为他（她）设计一条最短的旅行路线（从 驻地出发，经过每个城市恰好一次，最后返回驻地）？这一问题的研究历史十分悠久， 通常称之为旅行商问题。 例6 运输问题（transportation problem） 某种原材料有个产地，现在需要将原材料从产地运往个使用这些原材料的工厂。假定每个 产地的产量和家工厂的需要量已知，单位产品从任一产地到任一工厂的运费已知，那么 如何安排运输方案可以使总运输成本最低？ 上述问题有两个共同的特点：一是它们的目的都是从若干可能的安排或方案中寻求某种意 义下的最优安排或方案，数学上把这种问题称为最优化或优化（optimization）问题； 二是它们都易于用图形的形式直观地描述和表达，数学上把这种与图相关的结构称为网络 （network）。与图和网络相关的最优化问题就是网络最优化或称网络优化 （netwok optimization）问题。所以上面例子中介绍的问题都是网络优化问题。由于多数网络优化问 题是以网络上的流（flow）为研究的对象，因此网络优化又常常被称为网络流 （network flows）或网络流规划等 图与网络的基本概念 无向图：一个无向图(undirected graph)G是