5第五章 图与网络.pdf

第五章 图与网络模型及方法 §1 概论 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C H 的同分异构物时，也发现了“树”。哈密尔顿于 1859 年提 n 2n +2 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、运筹学，生物遗传学、心理学、经济 学、社会学等学科中。 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。哥尼斯堡七桥问 题就是一个典型的例子。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。 图 1 哥尼斯堡七桥问题 当然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。下面将要讨论的最短路问题、最大流问题、最小费用流问题和匹配问题等都 是图与网络的基本问题。 我们首先通过一些例子来了解网络优化问题。 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 -68- 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N 名员工去完成N 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M 个产地，现在需要将原材料从产地运往N 个使用这些原材料的工 厂。假定M 个产地的产量和N 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