Научная статья на тему 'Количественные оценки некоторых связностных характеристик предфрактальных графов'

Количественные оценки некоторых связностных характеристик предфрактальных графов Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
288
65
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
САМОПОДОБНЫЕ ГРАФЫ / ФРАКТАЛЬНЫЕ (ПРЕДФРАКТАЛЬНЫЕ) ГРАФЫ / СЕТЕВЫЕ СИСТЕМЫ / ТОЧКИ СОЧЛЕНЕНИЯ / МОСТЫ / SELF-SIMILAR GRAPHS / FRACTAL AND PREFRACTAL GRAPHS / NETWORK SYSTEMS / CUTPOINTS AND BRIDGES

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Кочкаров Азрет Ахматович, Сенникова Людмила Игоревна

Работа посвящена исследованию связностных характеристик предфрактальных графов. Получены достижимые оценки для числа точек сочленения и числа мостов предфрактального графа. Свойство самоподобия определяет получение прогнозируемых диапазонов количественных оценок для перечисленных связностных характеристик.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Кочкаров Азрет Ахматович, Сенникова Людмила Игоревна

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

Some prefractal graph's connectivity characteristics estimations

The paper is devoted to the research of prefractal graph's connectivity characteristics. Some estimations being achievable on their boundaries are received for the number of prefractal graph's cutpoints and bridges. The estimations are obliged to the self-similarity of prefractal graphs.

Текст научной работы на тему «Количественные оценки некоторых связностных характеристик предфрактальных графов»

ПРИКЛАДНАЯ ДИСКРЕТНАЯ МАТЕМАТИКА

2011 Прикладная теория графов №4(14)

УДК 519.17

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ НЕКОТОРЫХ СВЯЗНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДФРАКТАЛЬНЫХ ГРАФОВ1

А. А. Кочкаров*, Л. И. Сенникова**

* Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, г. Москва, Россия,

** Ставропольский институт управления, г. Ставрополь, Россия

E-mail: akochkar@gmail.com, s-ludhen@yandex.ru

Работа посвящена исследованию связностных характеристик предфрактальных графов. Получены достижимые оценки для числа точек сочленения и числа мостов предфрактального графа. Свойство самоподобия определяет получение прогнозируемых диапазонов количественных оценок для перечисленных связностных характеристик.

Ключевые слова: самоподобные графы, фрактальные (предфрактальные) графы, сетевые системы, точки сочленения, мосты.

Введение

Развитие глобальных сетей (информационных, социальных, технических) и накопление за последние десятилетия эмпирического материала спровоцировали новый виток изучения сложных многоэлементных сетевых систем [1, 2] и предопределили появление так называемой «сетевой науки» (Network Science) [1].

Если формализовать структуру сетевой системы в виде графа [3], то изменения, происходящие в ее структуре, могут быть описаны простейшими теоретико-графовыми операциями: стягивание ребра, удаление (добавление) ребра, удаление (добавление) вершины. Изменения структуры системы могут быть разовыми, а могут быть постоянными. Для второго случая принято использовать понятие структурной динамики [4]. Несомненно, для описании структурной динамики лучше всего подходит аппарат теории графов.

Одним из наиболее распространенных сценариев структурной динамики является рост структуры. Рост структуры — это регулярное появление новых элементов и связей в структуре системы. Рост структуры может происходить по строго сформулированным правилам, не исключая наличия в них фактора случайности.

Исследование структурной динамики как модели изменчивости связей многоэлементных сетевых систем представляется актуальной задачей.

В работе рассматривается одно из возможных правил, задающих структурную динамику сложных многоэлементных сетевых систем. Формальным представлением изменения структур сетевых систем по этому правилу являются масштабно-инвариантные, или самоподобные [5], графы большой размерности, называемые фрактальными (предфрактальными) [6]. Правила порождения предфрактального графа позволяют прогнозировать его качественные и количественные характеристики, а также оценивать изменение этих характеристик в процессе роста структуры сетевой системы. Доказанные в работе теоремы устанавливают зависимость характеристик всего

хРабота поддержана грантом РФФИ № 10-01-00786-а.

предфрактального графа от характеристик его самой меньшей несамоподобной части— затравки, что позволяет оценить диапазон изменения важных характеристик, относящихся к структурной стойкости сетевых систем [7].

1. Фрактальные и предфрактальные графы

Фрактальные графы [8] используются для моделирования структур, растущих по одним и тем же правилам независимо от точки роста. Не исключается множественный одновременный рост во всей структуре системы. Формальным отражением этих правил является операция замены вершины затравкой (ЗВЗ) [8], она же лежит в основе определения фрактальных графов.

Термином «затравка» условимся называть какой-либо связный граф Н = (Ш^). Суть операции ЗВЗ заключается в следующем. В данном графе С = (V, Е) у намеченной для замещения вершины V Є V выделяется множество V = {vj : і = 1, 2,... , | V|} смежных ей вершин. Далее из графа С удаляется вершина V и все инцидентные ей ребра. Затем каждая вершина Vj Є V, і = 1, 2,... , |V|, соединяется ребром с одной из вершин затравки Н = (Ж, ^). Вершины соединяются произвольно (случайным образом) или по определенному правилу при необходимости.

Предфрактальный граф будем обозначать через Сь = (Уь,Еь), где Уь — множество вершин графа; Еь — множество его ребер. Определим его рекуррентно, поэтапно, заменяя каждый раз в построенном на предыдущем этапе І = 1, 2,... ,Ь — 1 графе Сі = (Уі,Еі) каждую его вершину затравкой Н = (Ш,(^). На этапе І = 1 предфрак-тальному графу соответствует затравка Сі = Н. Об описанном процессе говорят, что предсфрактлльный граф Сь порожден затравкой Н. Процесс порождения предфрактального графа Сь по существу есть процесс построения последовательности предфрактальных графов С1, С2,... , Сі,... , Сь, называемой траекторией. Фрактальный граф С = (V, Е), порожденный затравкой Н, определяется бесконечной траекторией. Ранг Ь фактически определяет «возраст» (число этапов порождения) и размер (число вершин) предфрактального графа.

Для предфрактального графа Сь ребра, появившиеся на 1-м, І Є {1, 2,... , Ь}, этапе порождения, будем называть ребрами ранга І. Новыми ребрами предфрактального графа Сь назовем ребра ранга Ь, а все остальные ребра назовем старыми.

Если из предфрактального графа Сь, порожденного п-вершинной затравкой Н, последовательно удалить все старые ребра (ребра ранга І, І = 1, 2 ,...,Ь — 1), то исходный граф распадется на множество связных компонент {В^}, каждая из которых изоморфна затравке Н. Компоненты В(1) будем называть блоками первого

ранга. Аналогично при удалении из предфрактального графа Сь всех старых ребер

(2)

рангов І = 1, 2 ,...,Ь — 2 получим множество блоков {В^ } второго ранга. Обобщая, скажем, что при удалении из предфрактального графа Сь всех ребер рангов І = 1, 2,...,Ь — г получим множество {В(гі}, г Є {1, 2,..., Ь — 1}, блоков г-го ранга, где і = 1, 2,... , пь-г — порядковый номер блока. Блоки В^ первого ранга будем называть также подграф-затравками Н предфрактального графа Сь.Очевидно, что всякий блок Вь = (и^", , г Є {1, 2,... , Ь — 1}, является предфрактальным гра-

фом Вг = (иг, Мг), порожденным затравкой Н.

Обобщением описанного процесса порождения предфрактального графа Сь является случай, когда вместо единственной затравки Н используется множество затравок Н = {Н1, Н2,... , Ну}, Т ^ 2. Суть этого обобщения состоит в том, что при переходе от графа Сі-1 к графу Сі каждая вершина замещается некоторой затравкой Н4 Є Н,

которая выбирается случайно или согласно определенному правилу, отражающему специфику моделируемого процесса или структуры.

Термином подграф-затравка г(і) будем называть блок В^, в = 1,... ,пі-1, первого ранга предфрактального графа Сі, І = 1,...,Ь, из траектории. Подграф-затравки г(і) графов С1, С2,... , Сь из траектории предфрактального графа Сь объединим в множество Z(Сь) = {г^і) : І = 1,...,Ь,в = 1,...,пі-1}. В траектории переход от графа Сі-1 к Сі осуществляется |Уі-1| = пі-1 операциями ЗВЗ, поэтому общее число использованных затравок в порождении предфрактального графа Сь равно 1 + п + п2 + ... + пь-1 = (пь — 1)/(п — 1). Тогда мощность множества всех подграф-затравок из траектории графа Сь также равна ^(Сь)| = (пь — 1)/(п — 1).

На рис. 1-3 показана траектория С1, С2, С3 предфрактального графа С3 = (У3, Е3), порожденного затравкой Н = (Ж, ^) —полным 4-вершинным графом (рис. 1). Самыми «жирными» линиями на представленных рисунках изображены ребра подграф-затравки г(1). Линиями средней «жирности» (рис. 2) нарисованы ребра подграф-затравок ^2), 42), ^32) и ^2). И наконец, тонкими линиями (рис. 3) нарисованы новые ребра предфрактального графа С3, которые образуют подграф-затравки г(3), в = 1,..., 16.

А

Рис. 1. Н = (Ш, О)

2. Оценка числа точек сочленения предфрактального графа

Число точек сочленения графа Н = (Ж, ^) обозначим через т(Н).

Теорема 1. Для всякого предфрактального графа Сь, порожденного п-вершин-ной затравкой Н с сохранением смежности старых ребер одного ранга, справедливы верхняя и нижняя оценки числа точек сочленения

т(Н)пь-1 ^ т(Сь) ^ т(Н)пь-1 + ^(Сь)|,

где Z(Сь) —множество всех подграф-затравок предфрактального графа Сь.

Доказательство. Рассмотрим траекторию предфрактального графа Сь, порожденного затравкой Н, имеющей т(Н) точек сочленения. Точкой пересечения старых ребер одного ранга будем называть вершину, в которой сохраняется их смежность. На втором этапе порождения все точки пересечения старых ребер (первого ранга) могут совпасть с точками сочленения затравок и в этом случае т(С2) = т(Н)п, где п — число затравок графа С2. При выполнении условий теоремы меньше чем т(Н)п точек сочленения быть не может. В случае же несовпадения всех точек пересечения старых ребер с точками сочленения затравок число точек сочленения графа С2 определяется равенством т(С2) = т(Н)п + п, поскольку каждая точка пересечения старых ребер является точкой сочленения графа С2. При произвольном размещении смежных старых ребер число точек сочленения графа С2 ограничивается неравенствами т(Н)п ^ т(С2) ^ т(Н)п + п.

Продолжая рассуждения аналогичным образом, на l-м этапе, l = 3,... ,L, порождения в траектории графа Gl получим, что число точек сочленения графа Gl равно m(Gl) = m(H)nl-1 при совпадении точек пересечения старых ребер с точками сочленения затравок. В противном случае, если никакая точка пересечения старых ребер одного ранга не совпадает ни с одной из точек сочленения затравок, а значит, каждая из точек пересечения старых ребер дает по одной точке сочленения для графа Gl, то достигается верхняя оценка, которая равна m(Gl) = m(H)nl-1 + (nl — n)/(n — 1).

При произвольной инцидентности старых ребер с точками сочленений затравок или другими точками сочленения, полученными в результате смежности старых ребер одного ранга, число точек сочленения графа Gl оценивается двойным неравенством m(H)nl-1 ^ m(Gl) ^ m(H)nl-1 + |Z(Gl)|, l = 1,..., L. ■

3. Оценка числа мостов предфрактального графа

Число мостов графа H = (W, Q) обозначим через k(H).

Теорема 2. Для всякого предфрактального графа Gl, порожденного затравкой H, справедливы верхняя и нижняя оценки числа мостов

k(H) ^ k(GL) ^ k(H)|Z(Gl)I,

где Z(Gl) —множество всех подграф-заставок предфрактального графа GL.

Доказательство. Рассмотрим траекторию предфрактального графа GL, порожденного затравкой H = (W, Q). На затравке H = (W, Q) выделим мост e = {v1, v2} Є Q, удаление которого приводит к разделению затравки на две компоненты. На втором этапе порождения предфрактального графа Gl, после замещения всех вершин затравки, выделенное ребро (уже старое ребро 1-го ранга) e = {v/ , v2} Є E2 случайным образом соединит вершины двух подграф-затравок предфрактального графа G2 = (V2, E2). Но удаление ребра e приведет к разделению графа G2 на компоненты, поскольку мост e Є E2 — единственная цепь, соединяющая концы ребра e, независимо от того, какие вершины (v1 Є W и v2 Є W или же v/ Є V2 и v2 Є V2) она соединяет. Из этих рассуждений вытекает, что все мосты затравки H остаются мостами на всей траектории графа Gl , поэтому число мостов предфрактального графа Gl не меньше числа мостов затравки H : k(GL) ^ k(H ).

Рассмотрим произвольный предфрактальный граф G* = (VJ*,E*), l = 2,...,L, выделим на нем подграф-затравку H = (W, Q), которая, в отдельном от графа виде, имеет k(H) мостов. Возникает вопрос, останутся ли мостами для графа G* ребра, являющиеся мостами в отдельно взятой затравке H ? Пусть при удалении моста e* = {v*,v*} Є Q затравка H распадается на две компоненты H/ = (W/,Q/) и H// = (W//,Q//). Значит, для того чтобы ребро e* Є Q перестало быть мостом в графе G*, достаточно, чтобы подграфам H/и H// были инцидентны хотя бы по одному старому ребру (l — l) -го ранга, тем самым нейтрализуя мост e* и сохраняя связность графа G* при удалении ребра e*.

Если старые ребра (l — l) -го ранга сохраняют смежность, то ребро e* будет мостом и для всего графа G*, поскольку при его удалении связность предфрактального графа G* нарушается.

Теперь ясно, что число мостов k(GL) предфрактального графа GL, порожденного затравкой H, зависит от того, как часто сохраняется смежность старых ребер графа Gl. Если старые ребра (l — 1)-го ранга предфрактального графа Gl, l = 2,..., L, из траектории предфрактального графа Gl подходят к подграф-затравкам таким образом, что каждый из k(H) мостов образует с какими-либо двумя из старых ребер одного

ранга простую цепь, то мосты отдельно взятой затравки не будут мостами графа G¿, так как при их удалении из подграф-затравки H компоненты, на которые должна была бы распасться отдельная затравка, будут инцидентными старым ребрам, сохраняя этим связность самого графа G¿. В случае выполнения этого правила для всех графов G¿, l = 2,... , L, из траектории предфрактального графа Gl получим, что все мосты затравок, появляющихся в процессе порождения графа Gl, нейтрализуются старыми ребрами, кроме тех k(H) мостов, которые существовали изначально в графе Gi = H, поскольку для этих мостов не существует старых ребер меньшего ранга. Отсюда следует, что нижняя граница числа мостов графа Gl определяется неравенством k(GL) ^ k(H).

Для нахождения верхней границы достаточно рассмотреть случай, когда в пред-фрактальном графе Gl сохраняется смежность старых ребер любого ранга. Действительно, при сохранении смежности старых ребер (l — 1)-го ранга предфрактального графа Gi, l = 2,...,L, все старые ребра, подходящие к затравке H, будут смежны одной из компонент, полученных при удалении одного из мостов. Следовательно, все k(H) мостов затравки H останутся мостами и в графе G¿. Учитывая, что в G¿ число затравок равно nl-1 (n — число вершин затравки H), замечаем, что число его мостов по сравнению с графом G¿-1 увеличится на nl-1k(H):

k(Gi) = k(H), k(G2) = k(H) + nk(H), ..., ВД) = k(H)(nl — 1)/(n — 1).

При произвольном построении фрактального графа Gl число его мостов ограничивается неравенствами k(H) ^ k(GL) ^ k(H)|Z(Gl)|. ■

Заключение

Для проведения анализа работоспособности всякой сетевой системы, имеющей сложную изменяющуюся структуру, необходимо моделировать динамику самих изменений в структуре. Это позволяет анализировать изменения важных для сетевой системы связностных характеристик, к которым относятся число точек сочленения и число мостов. В качестве инструментария моделирования структурной динамики можно рассмотреть многие подходы. Процесс порождения предфрактальных графов, несомненно, является сильно ограниченным с точки зрения описания всех возможных сценариев роста структуры сетевой системы, но обладает возможностью прогнозирования изменений характеристик. Основная цель настоящей работы — продемонстрировать возможность получения прогнозируемых диапазонов количественных оценок для различных характеристик предфрактальных графов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Евин И. А. Введение в теорию сложных сетей // Компьютерные исследования и моделирование. 2010. Т. 2. №2. С. 121-141.

2. Newman M. E. J. Networks: an introduction. New York: Oxford University Press, 2010.

3. Емеличев В. А., Мельников О. И., Сарванов В. И., Тышкевич Р. И. Лекции по теории графов. М.: Наука, 1990.

4. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006.

5. Ахромеева Т. С., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г., Самарский А. А. Нестационарные структуры и диффузионный хаос. М.: Наука, 1992.

6. Мелроуз Дж. Иерархические фрактальные графы и блуждания на них // Фракталы в физике. М.: Мир, 1988. С. 519-523.

7. Кочкаров А. А., Малинецкий Г. Г. Моделирование распространения внешних воздействий по структуре сложной системы // Матем. моделирование. 2006. Т. 18. №2. С. 51-60.

8. Кочкаров А. А., Кочкаров Р. А. Параллельный алгоритм поиска кратчайшего пути на предфрактальном графе // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 2004. Т. 44. №6. С. 1157-1162.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.