Научная статья на тему 'Инвариант графа на основе компактных подграфов и алгоритм его вычисления'

Инвариант графа на основе компактных подграфов и алгоритм его вычисления Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
287
59
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИНВАРИАНТ ГРАФА / ВЗВЕШЕННЫЙ ОБЫКНОВЕННЫЙ ГРАФ / ОЦЕНКА КОМПАКТНОСТИ ПОДГРАФА / КОМПАКТНЫЙ ПОДГРАФ / ЭФФЕКТ ОБОСОБЛЕНИЯ ВЕРШИН / GRAPH INVARIANT / WEIGHTED ORDINARY GRAPH / ESTIMATION OF SUBGRAPH DENSITY / DENSE SUBGRAPH / VERTEX ISOLATION EFFECT

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Погребной Александр Владимирович, Погребной Владимир Кириллович

Для взвешенных обыкновенных графов введена оценка компактности подграфов. На основе этой оценки определён ряд инвариантов, характеризующих структуру графа с учётом неравномерности распределения значений весов по рёбрам. Основное внимание уделено понятию компактного подграфа. Предложен алгоритм выделения компактных подграфов и вычисления на их основе инвариантов. Подмечено важное свойство компактных подграфов – способность отражать эффект обособления подмножеств вершин с высокой оценкой компактности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The paper introduces the estimation of subgraph density for weighted ordinary graphs. On the basis of this estimation the authors have determined a number of invariants characterizing graph structure considering edge nonuniformity of weight values. Special attention is given to the notion of dense subgraph. The authors have proposed the algorithm of dense subgraph selection and computation of invariants on their base. The significant property of the dense subgraphs is the ability to reflect the isolation effect of vertex subset with high density estimation.

Текст научной работы на тему «Инвариант графа на основе компактных подграфов и алгоритм его вычисления»

УДК 519.175.1

ИНВАРИАНТ ГРАФА НА ОСНОВЕ КОМПАКТНЫХ ПОДГРАФОВ И АЛГОРИТМ ЕГО ВЫЧИСЛЕНИЯ

Ан.В. Погребной, В.К. Погребной

Томский политехническийо университет E-mail: [email protected]

Для взвешенных обыкновенных графов введена оценка компактности подграфов. На основе этой оценки определён ряд инвариантов, характеризующих структуру графа с учётом неравномерности распределения значений весов по рёбрам. Основное внимание уделено понятию компактного подграфа. Предложен алгоритм выделения компактных подграфов и вычисления на их основе инвариантов. Подмечено важное свойство компактных подграфов - способность отражать эффект обособления подмножеств вершин с высокой оценкой компактности.

Ключевые слова:

Инвариант графа, взвешенный обыкновенный граф, оценка компактности подграфа, компактный подграф, эффект обособления вершин.

Key words:

Graph invariant, weighted ordinary graph, estimation of subgraph density, dense subgraph, vertex isolation effect.

Введение

Для описания и анализа структуры графовых моделей в теории графов накоплено большое разнообразие количественных показателей (дескрипторов), каждый из которых характеризует некоторое структурное свойство графа [1]. Например, хроматическое число графа, число внутренней устойчивости, вектор упорядоченных значений степеней вершин [2]. Дескрипторы (описатели), которые определяются независимо от нумерации вершин или какого-либо их наименования, т. е. являются инвариантными относительно обозначения вершин, стали называться инвариантами [2]. В частности, матрица смежности вершин графа не является инвариантом, т. к. зависит от нумерации вершин (строк и столбцов матрицы). Напротив, длина кратчайшего маршрута в графе является инвариантом, а непосредственно сам маршрут в виде последовательности вершин не является.

В общем случае можно говорить, что каждый инвариант представляет некоторую характеристику структуры абстрактного графа, т. е. графа, у которого отсутствует обозначение вершин. Эти характеристики интерпретируют различные свойства графовых моделей, разработанных для конкретных приложений.

Инварианту соответствует количественная мера в виде числа или вектора. Поэтому инварианты одного типа, полученные для разных графов, могут сравниваться между собой, определяя степень сходства или различия этих графов. В изоморфных графах инварианты совпадают, т. е. равенство графов является необходимым условием их изоморфизма. К сожалению, обратное утверждение не верно, т. к. равенство инвариантов у двух графов вовсе не гарантирует наличие у них изоморфизма. Объёмы вычислений, связанные с определением инвариантов, зависят от их типов. Некоторые из них, например степени вершин, определяются совсем просто, а такие как хроматическое число графа требуют решения отдельной сложной задачи.

Во многих практических приложениях графовые модели представляются в виде взвешенных обыкновенных графов. В таких моделях рёбрам графа приписываются некоторые значения (веса), отражающие отдельное свойство соответствующей коммуникации, например протяженность, пропускную способность и т. п. Для анализа таких графовых моделей важно иметь инвариант, который характеризует структуру графа с учётом весов рёбер.

В статье вводится инвариант данного типа и предлагается алгоритм его вычисления. Для разработки инварианта вводится новое понятие - компактность подграфа и даётся её количественная оценка. Предлагаемый инвариант даёт возможность связать неравномерность распределения значений весов по рёбрам графа с его структурой и оказывается полезным при решении ряда задач анализа структур графов.

Компактность подграфов и инварианты

Рассматривается связный обыкновенный граф О=(Е,Ц) с множеством вершин Е={е;|, /=1,2,...,и и множеством рёбер и={щ). Каждому ребру Ыц=(е,,е]), связывающему две вершины е1 и е, ставится в соответствие вес г>0. В этом случае граф О может быть представлен матрицей Л=||г|, которая совмещает матрицу смежности вершин и матрицу весов рёбер. Граф О может быть также представлен множеством инциденторов Де;) вершин е1 еЕ. Инцидентор Де;) представляет совокупность вершин е,еЕ, %', которые в графе О связаны рёбрами ы=(е,е), инцидентными вершине е. Мощность множества Де;) в этом случае определяет степень вершины е, т. е.

ЗгШ\-

Если значение веса г, ребра (е; е) ассоциировать с силой притяжения (сжатия) вершин е1 и е, между собой, то можно говорить о компактности совокупности вершин е1 и е, (от лат. сотрасЫ - «сжатый»). При этом будем считать, что чем больше значение веса г,, тем выше значение компактности.

Таким образом, в качестве количественной меры компактности подграфа, содержащего вершины е и е, может быть принято значение веса г,. Аналогичные рассуждения можно распространить на подграфы, содержащие больше двух вершин. В этом случае оценка компактности С(Е,) подграфа О=(Е,,и) с множеством вершин Е,сЕ и множеством рёбер с и определяется в виде суммы значений весов рёбер ые и, связывающих вершины ее еЕ,

с (Е) = X Г •

и„еи,

На основе оценок компактности подграфов можно предложить ряд инвариантов:

1) сумма весов рёбер графа (компактность графа);

2) вектор оценок компактности кратчайших маршрутов в графе;

3) вектор упорядоченных значений оценок компактности связных подграфов, содержащих заданное число вершин;

4) вектор упорядоченных значений оценок компактности подграфов, построенных для подмножеств вершин, выделенных по определённым правилам.

Инварианты первой группы вычисляются на основе оценок компактности графа в целом. Сюда можно отнести инвариант С(Е), равный сумме весов рёбер графа, или инвариант С( и)=С(Е)/| и|, равный среднему значению весов рёбер. В качестве инварианта этой группы можно рассматривать также гистограмму частот значений весов рёбер в графе.

Во вторую группу отнесены инварианты, характеризующие компактность кратчайших маршрутов между всеми парами вершин или компактность подграфов, содержащих вершины этих маршрутов. В первом случае для каждой пары вершин вычисляется сумма весов рёбер кратчайшего маршрута. Значения этих сумм в векторе инварианта упорядочиваются по возрастанию или убыванию. Во втором случае элемент в векторе инварианта вычисляется как оценка компактности подграфа, содержащего вершины кратчайшего маршрута. Эта оценка суммирует веса всех рёбер, связывающих вершины маршрута в графе.

Векторы инвариантов третей группы О®(Е®)={О®(Е®)} формируются на основе оценок компактности О®(Е®) связных подграфов, содержащих Е® вершин. Здесь !=1,2,...,!® обозначает порядковый номер подграфа, оценка компактности которого заняла ,-е место в упорядоченной по возрастанию последовательности элементов вектора С®(Е), ^ - общее число связных подграфов, содержащих ® вершин.

В отличие от третей группы векторы инвариантов четвертой группы С(Е) включают оценки компактности подграфов О=(Е,,и), выделенных на определённых условиях. Например, в качестве О, могут выступать полные подграфы графа О. В качестве множеств вершин Еедля выделения подграфов О, могут быть приняты инциденторы Де;) или Де;)ие;.

В составе данной группы особый интерес представляют инварианты, основанные на так называемых компактных подграфах. Введению понятия компактного подграфа, алгоритму их выделения в графе и инварианту, полученному на основе этого понятия, посвящено последующее содержание данной статьи.

Компактным подграфом графа О будем называть связный подграф О®=(Е®,и®) /=1,2,.,п с множеством вершин Е®, \Ef\=g и множеством рёбер и®, связывающих вершины из множества Е®, который в множестве Е® содержит вершину е! и имеет наибольшую оценку компактности О®.

Для выделения компактного подграфа О® в графе О нужно сформировать все связные подграфы с множеством вершин Е®, еееЕ®, \Е®\=®, получить для каждого из них оценку компактности О® и выбрать подграф, соответствующий наибольшей оценке.

Инвариантом графа О на основе компактных подграфов О® будем называть п-мерный вектор О® с упорядоченными по возрастанию оценками компактности О® подграфов О®.

Алгоритм выделения связных подграфов

Задача выделения компактных подграфов О® может быть решена путём простого перебора всех сочетаний вершин из п по ®. Для каждого сочетания анализируется соответствующей подграф, и если он является связным, то для него определяется оценка компактности, а несвязные подграфы исключаются из рассмотрения. Далее в полученном множестве подграфов для каждой вершины е выбирается компактный подграф О®, который имеет наибольшую оценку компактности и содержит вершину е .

Очевидным недостатком такого алгоритма является необходимость полного перебора всех сочетаний вершин и соответствующих подграфов. При анализе графа О, содержащего несколько десятков вершин, число сочетаний становится большим уже при £>4. Поэтому важно, чтобы алгоритм мог формировать сочетания вершин, которые соответствуют только связным подграфам.

Второе требование к алгоритму обусловлено тем, что при анализе графа О как правило требуется последовательно выделять компактные подграфы для ®=2,3,4... и формировать соответствующие инварианты О®. В этом случае при генерации множества сочетаний для очередного значения (®+1) алгоритм не должен выполнять генерацию заново, а всего лишь продолжить её, используя множество связных подграфов, содержащих ® вершин. Предлагаемый ниже алгоритм разработан с учётом данных требований.

Множество связных подграфов алгоритм формирует в виде дерева. На уровне ¿=1 в дереве располагаются вершины е множества Е, упорядоченные по возрастанию номеров. Вершины этого множества представим как условно связанные с нулевой вершиной (е,€(0) на уровне ®=0 и обозначим его в виде Де„0). Вершина е®=1е1(еЦ) выступает в каче-

стве корневой вершины автономного дерева, ветви которого соответствуют всем связным подграфам, содержащим корневую вершину. Построение такого дерева заключается в формировании множеств Z(вf+1), вершины которых в дереве связываются с вершинами в® на предыдущем ®-м уровне.

Совокупность вершин множества Z(вg-1) представим в виде упорядоченной по возрастанию номеров последовательности (в?,в*,...,в£,...,в/:). Будем считать, что вершина в;geZ(в;g-1), для которой формируется множество Z(вg) вершин в,®+1, связанных в дереве с вершиной в®, разбивает множество Z(вf-X) на две части ^(ек-1)=(в(,е(,...,ек) и Z1(в/¡-1)=(вli,!,в®), г -число вершин в множестве Z (в ® 1).

В принятых обозначениях алгоритм формирует множества Z(вg) по следующим правилам:

2(е0°) = Е — {е,1}, і — 1,2,..., п; 2 «) = ^ «)\ 2 0(е0).

(1)

(2)

В общем случае для вершин в? дерева на уровне ¿>2 множества Z(в?) определяют;я по выражению:

2(е£) = (^(е£) и (21(ег^-1)) \ =о 20(<-1). (3)

Так, например, для вершины в\ на уровне ¿=2 имеем:

2(Єі2) = (^(еі2) и (21(41)) \ ( 20(е0) и 20(е')). (4)

Выражения (1), (2) определяют подграфы, содержащие 1 и 2 вершины соответственно. Все последующие подграфы, содержащие ¿+1 вершину, определяются рекуррентно по выражению (3). В дереве на уровне ¿+1 каждой вершине в,*+1 соответствует подграф, содержащий все вершины ветви от в^1 до корневой вершины. Число подграфов на уровне ¿+1 определяется суммарным числом вершин всех множеств Z (вф, сформированных для вершин в?, расположенных на уровне g дерева.

Работу алгоритма покажем на примере графа О и его матрицы Я, представленных на рис. 1.

При построении дерева нет необходимости учитывать веса. Поэтому вес ^>0 рассматривается в матрице Я как факт наличия ребра иір связывающего вершины ві и в] в графе О. Будем также считать, что при построении дерева переход на уровень ¿ осуществляется после формирования всех подграфов на предыдущем уровне. На рис. 2 при-

ведено дерево, построенное по данному алгоритму для ¿=1,2,3.

Дерево содержит 17 подграфов по 2 вершины на уровне ¿=2 и 41 подграф по 3 вершины на уровне ¿=3. Подграфы на уровне ¿=2 соответствуют всем рёбрам графа О. На уровнях ¿=2 и ¿=3 у каждой вершины дерева поставлены 2 числа - верхнее обозначает номер вершины в в графе О, а нижнее определяет компактность подграфа для соответствующей ветви дерева. Например, ветвь, выделенная жирно, соответствует подграфу с вершинами (в2,в8,в7) и компактностью равной 10. Заметим, что наличие ребра в дереве не означает наличие соответствующего ребра в графе. Например, ветвь (в2,в5,в10) содержит ребро (в5,в10), а в графе такого ребра нет. Здесь важно, что рёбра ветви (в2,в5,в10) отражают связность подграфа.

После построения согласно выражениям (1) и (2) множеств 1-го и 2-го уровня дерева формируются множества Zв) для всех вершин в2 2-го уровня. Например, чтобы сформировать множество ¿(в1) предварительно по ребру в, в12) устанавливается множество (в1)=(в5,в8,в10) к которому относится вершина 4. Далее это множество, как показано на рис. 2, разбивается на 2°(в12)=(в5,в8) и ¿1(вв12)=(в10). Учитывая, что инцидентор Дв22)=(в2,в6,в7,в9), согласно (3) или в данном случае (4), имеем:

2(е82 ) — ((е2, Є6, Є7, Є9) и (Є10)) \ ((Є1, Є2) и (Є5, Є8)) — _ (еб, Є7 , Є9 , Є10).

Построенное таким образом дерево удовлетворяет сформулированным ранее требованиям и содержит все связные подграфы, содержащие 3 вершины. При построении дерева алгоритм допускает формирование множеств для вершин в* в любой последовательности. В частности, можно без построения всего дерева автономно сформировать множество для вершины в732, расположенной на ветви (в2,в8,в7). С этой целью нужно последовательно сформировать множества ¿(в0), ¿(в^), ¿(в^), ¿(в732). В нашем примере ¿(в732) в соответствии с (3) определяется следующим о2бразом:

2 «) =

— ((ез, е5 , е8) и (е9 , е10)) / (( е1, е2) и ( Є5, е8) и ( Є6, Є7)) —

— (ез, е9 , ею).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Є4

4 5

1 6 2

4 2 2 6

7 4

5 1 7 6 3

2 3 5

2 6 4

6 3 4 2

4 3 2 3

2 6 5 3

Рис. 1. Пример графа G и его матрицы Н

2 >8 )гЧ<)

Рис. 2. Дерево связных подграфов для д=1,2,3

Заметим также, что упорядочение вершин в множествах Z(вg) по возрастанию номеров не является обязательным и введено в алгоритм всего лишь для удобства восприятия дерева.

Инварианты на основе компактных подграфов

При наличии дерева связных подграфов О® с оценками компактности О® выделение компактных подграфов О® осуществляется последовательно для всех вершин в;еЕ. С этой целью среди подграфов О®, содержащих вершину в, выбирается подграф О® с максимальной оценкой компактности С®. Если таких подграфов окажется несколько, то они все запоминаются. Выбор подграфов в этих случаях производится после выбора компактных подграфов для всех вершин в. При этом предпочтение отдаётся тому подграфу, который максимально пересекается с подграфами, выбранными для других вершин.

Результаты выбора компактных подграфов О/ для рассматриваемого примера сведены в таблицу.

Столбец таблицы представляет компактный подграф О3 для вершины в. Вершины в множестве Е3 графа О' указываются в последовательности, аналогичной соответствующей ветви дерева. Для вершины в8 в дереве оказалось два компактных подграфа с оценкой С83= 10. Предпочтение в данном случае отдаётся подграфу с множеством вершин Е83=(в2,в8,в7), которое полностью пересекается с Е23.

Таблица. Компактные подграфы

в, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Е3 1 2 3 4 4 3 4 2 5 4 3

5 8 6 5 5 6 5 8 7 5 6

4 7 10 9 9 10 7 7 8 9 10

С3 12 10 13 14 14 13 13 10 14 13

В нижней строке таблицы указаны значения оценок компактности. Данные оценки в упорядоченной по возрастанию последовательности образуют инвариант в виде «-мерного вектора (?(О). В нашем примере С3(О)=(10,10,12,13,13,13,13,14,14,14). Нетрудно убедиться, что инвариант на основе компактных подграфов О;2для дерева на рис. 2 соответствуют вектору С2(О)=(4,5,5,6,6,6,6,6,7,7).

Компактные подграфы О®, наряду с тем, что являются основанием для формирования инвариантов С(О), обладают примечательным свойством, которое заключается в способности отражать степень обособления вершин в графе. Эффект обособления поясним на примере компактных подграфов О,3, представленных в таблице. Для этого на рис. 3 визуально покажем принадлежность вершин графа О компактным подграфам ОД

е10

Рис. 3. Иллюстрация эффекта обособления вершин

Множества вершин Е3 на рис. 3 обведены линиями, помеченными вершинами в, для которых получены соответствующие компактные подграфы

О,3.

Эффект обособления вершин легко просматривается визуально. В частности, если исключить подграф О73, то вершины графа О разобьются на 3 обособленные подмножества с высокой оценкой компактности. Очевидно, что эффект обособления вершин взвешенных графов О на основе компактных подграфов О$ может быть использован при решении задач декомпозиции графа на подграфы. Применение компактных подграфов для решения таких задач требует отдельного исследования и в данной статье не рассматривается.

Выводы

1. Введение оценки компактности для подграфов взвешенного обыкновенного графа даёт возможность сформулировать ряд инвариантов, которые оказываются полезными при анализе структур графов с учётом весов рёбер.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дэмер М., Эммерт-Штрайб Ф., Цой Ю.Р., Вармуза К. Новый функционал информативности для анализа структуры хими-

2. Предложенный алгоритм формирования связных подграфов позволяет избежать полого перебора подграфов, исключая несвязные и связные дублирующие подграфы. Алгоритм может быть полезен в любых других исследованиях, где возникает потребность в полном или частичном выделении связных подграфов.

3. Введение понятия компактного подграфа и определение на этой основе инварианта в виде «-мерного вектора расширило возможность по увязке неравномерности распределения значений весов по рёбрам графа с его структурой. Кроме того, компактные подграфы выступают в роли «усилителя» эффекта обособления подмножеств вершин с высокой оценкой компактности, что может оказаться весьма полезным при решении задач декомпозиции графов. Работа выполнена в рамках госзадания «Наука».

ческих графов // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316. - № 5. - С. 5-11.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Зыков А.А. Основы теории графов. - М.: Изд-во «КомКнига», 2004. - 644 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.