Проблемы теории графов в структурной химии. Графов теория

Реферат по предмету высшая математика на тему:

Применение в химии теории графов

Выполнил студент группы НХ-202

Москва 2011
Графами называется область конечной математики, изучающая дискретные структуры; применяется для решения различных теоретических и прикладных задач.
Некоторые основные понятия. Граф - совокупность точек (вершин) и совокупность пар этих точек (не обязательно всех), соединенных линиями (рис. 1,а). Если на графе линии ориентированы (т.е. стрелками показано направление связи вершин), они называются дугами, или ветвями; если неориентированы, - ребрами. Соответственно, граф, содержащий только дуги, называется ориентированным, или орграфом; только ребра-неориентированным; дуги и ребра - смешанным. Граф, имеющий кратные ребра, называется мультиграфом; граф, содержащий только ребра, принадлежащие двум его непересекающимся подмножествам (частям), - двудольным; дуги (ребра) и (или) вершины, которым отвечают определенные веса или числовые значения каких-либо параметров, - взвешенным. Путь в графе - чередующаяся последовательность вершин и дуг, в которой ни одна из вершин не повторяется (напр., a, b на рис. 1,a); контур-замкнутый путь, в котором первая и последняя вершины совпадают (напр.,f, h); петля - дуга (ребро), которая начинается и кончается в одной и той же вершине. Цепь графа - последовательность ребер, в которой ни одна из вершин не повторяется (например, с, d, e); цикл - замкнутая цепь, в которой ее начальная и конечная вершины совпадают. Граф называется связным, если любая пара его вершин соединена цепью или путем; в противоположном случае граф называется несвязным.
Дерево - связный неориентированный граф, не содержащий циклов или контуров (рис. 1,б). Остовный подграф некоторого графа - его подмножество, содержащее все вершины и лишь определенные ребра. Остовное дерево некоторого графа - его остовный подграф, представляющий собой дерево. Графы называются изоморфными, если существует взаимно однозначное соответствие между совокупностями их вершин и ребер (дуг).
Для решения задач графов теории и ее приложений графы представляют с помощью матриц (смежности, инцидентности, двустрочных и др.), а также спец. числовых характеристик. Например, в матрице смежности (рис. 1,в) строки и столбцы отвечают номерам вершин графа, а ее элементы принимают значения 0 и 1 (соответственно, отсутствие и наличие дуги между данной парой вершин); в матрице инцидентности (рис. 1,г) строки отвечают номерам вершин, столбцы - номерам дуг, а элементы принимают значения 0, + 1 и - 1 (соответственно, отсутствие, наличие дуги, входящей в вершину и выходящей из нее). Наиболее употребительные числовые характеристики: число вершин (т), число дуг или ребер (n), цикломатическое число, или ранг графа (п - т + k, где k-число связных подграфов в несвязном графе; например, для графа на рис. 1,б ранг будет: 10-6+ 1 =5).
Применение теории графов базируется на построении и анализе различных классов химических и химико-технологических графов, которые называются также топологияческими моделями, т.е. моделями, учитывающими только характер связи вершин. Дуги (ребра) и вершины этих графов отображают химические и химико-технологические понятия, явления, процессы или объекты и соответственно качественные и количественные взаимосвязи либо определенные отношения между ними.

Рис. 1. Иллюстрация некоторых основных понятий: а-смешанный граф; б-остовное дерево (сплошные дуги a, h, d, f, h) и нек-рый подграф (пунктирные дуги с, e, g, k, l) орграфа; в, г-матрицы соотв. смежности и инцидентности орграфа.
Теоретические задачи. Химические графы дают возможность прогнозировать химические превращения, пояснять сущность и систематизировать некоторые основные понятия химии: структуру, конфигурацию, конформации, квантовомеханические и статистико-механические взаимодействия молекул, изомерию и др. К химическим графам относятся молекулярные, двудольные и сигнальные графы кинетических уравнений реакций.
Молекулярные графы, применяемые в стереохимии и структурной топологии, химии кластеров, полимеров и др., представляют собой неориентированные графы, отображающие строение молекул (рис. 2). Вершины и ребра этих графов отвечают, соответственно, атомам и химическим связям между ними.

Рис. 2. Молекулярные графы и деревья: а, б - мультиграфы соотв. этилена и формальдегида; в-мол. изомеров пентана (деревья 4, 5 изоморфны дереву 2).
В стереохимии органических веществ наиболее часто используют молекулярные деревья -остовные деревья молекулярных графов, которые содержат только все вершины, соответствующие атомам С (рис. 2, а и б). Составление наборов молекулярных деревьев и установление их изоморфизма позволяют определять молекулярные структуры и находить полное число изомеров алканов, алкенов и алкинов (рис. 2, в).
Молекулярные графы дают возможность сводить задачи, связанные с кодированием, номенклатурой и структурными особенностями (разветвлепность, цикличность и т.п.) молекул различных соединений, к анализу и сопоставлению чисто математических признаков и свойств молекулярных графов и их деревьев, а также соответствующих им матриц. Для выявления количественных корреляций между строением молекул и физико-химическими (в т.ч. фармакологическими) свойствами соединений разработано более 20 тысяч названий топологических индексов молекул (Винера, Балабана, Хосойи, Плата, Рандича и др.), которые определяют с помощью матриц и числовых характеристик молекулярных деревьев. Например, индекс Винера W = (m 3 + m)/6, где m-число вершин, отвечающих атомам С, коррелирует с молекулярными объемами и рефракциями, энтальпиями образования, вязкостью, поверхностным натяжением, хроматографическими константами соединений, октановыми числами углеводородов и даже физиологической активностью лекарственных препаратов.
Важными параметрами молекулярных графов, используемыми для определения таутомерных форм данного вещества и их реакционной способности, а также при классификации аминокислот, нуклеиновых кислот, углеводов и других сложных природных соединений, являются средняя и полная (Н) информационные емкости. Параметр вычисляется по формуле энтропии информации Шеннона: , где p t -вероятность принадлежности вершин m графа i-тому виду, или классу эквивалентности, k; i = , Параметр. Изучение молекулярных структур типа неорганических кластеров или лент Мёбиуса сводится к установлению изоморфизма соответствующих молекулярных графов путем их укладки (вложения) в сложные многогранники (например, полиэдры в случае кластеров) или спец. многомерные поверхности (например, римановые). Анализ молекулярных графов полимеров, вершины которых отвечают мономерным звеньям, а ребра - химическим связям между ними, позволяет объяснить, например, эффекты исключенного объема, приводящие к качественным изменениям прогнозируемых свойств полимеров.

Рис. 3. Графы реакций: а-двудольный; б-сигнальный ур-ний кинетики; r 1 , г 2 -р-ции; а 1 -а 6 -реагенты; k-константы скорости р-цнй; s-комплексная переменная преобразования Лапласа.
С применением графов теории и принципов искусственного интеллекта разработано программное обеспечение информационно-поисковых систем в химии, а также автоматизированных систем идентификации молекулярных структур и рационального планирования органического синтеза. Для практической реализации на ЭВМ операций выбора рациональных путей химических превращений на основе ретросинтетического и синтонного принципов используют многоуровневые разветвленные графы поиска вариантов решений, вершины которых соответствуют молекулярным графам реагентов и продуктов, а дуги изображают превращения веществ.

Рис. 4. Одноконтурная химико-технологическая система и соответствующие графы: а-структурная схема; б, в-материальные потоковые графы соотв. по общим массовым расходам и расходу компонента А; г- тепловой потоковый граф; д-фрагмент системы ур-ний (f 1 - f 6) материального баланса, полученной из анализа графов на рис. 4, б и в; е-двудольный информационный орграф; ж-информационный граф, I-смеситель; II-реактор; III-ректификационная колонна; IV-холодильник; I 1 -I 8 -технол. потоки; q-массовый расход; H-энтальпия потока; i. s и i*, s*- соотв. реальные и фиктивные источники и стоки материальных и тепловых потоков; с-концентрация реагента; V-объем реактора.
Матричные представления молекулярных графов различных соединений эквивалентны (после преобразования соответствующих элементов матриц) матричным методам квантовой химии. Поэтому теорию графов применяют при выполнении сложных квантово-химических расчетов: для определения числа, свойств и энергий молекулярных орбиталей, прогнозирования реакционной способности сопряженных альтернантных и неальтернантных полиенов, выявления ароматических и антиароматических свойств веществ и др.
Для изучения в химической физике возмущений в системах, состоящих из большого числа частиц, используют так называемые диаграммы Фейнмана - графы, вершины которых отвечают элементарным взаимодействиям физических частиц, ребра - их путям после столкновений. В частности, эти графы позволяют исследовать механизмы колебательных реакций и определять устойчивость реакционных систем.
Для выбора рациональных путей превращения молекул реагентов при заданном множестве известных взаимодействий используют двудольные графы реакций (вершины соответствуют молекулам и этим реакциям, дуги - взаимодействиям молекул в реакции; рис. 3,a). Такие графы позволяют разрабатывать диалоговые алгоритмы выбора оптимальных путей химических превращений, для которых требуется наименьшее число промежуточных реакций, минимальное число реагентов из перечня допустимых или достигается наибольший выход продуктов.
Сигнальные графы уравнений кинетики реакций отображают системы кинетических уравнений, представленных в алгебраическо-операторной форме (рис. 3,б). Вершины графов отвечают так называемым информационным переменным, или сигналам, в виде концентраций реагентов, дуги - взаимосвязям сигналов, причем веса дуг определяются кинетическими константами. Такие графы применяют при изучении механизмов и кинетики сложных каталитических реакций, сложных фазовых равновесий при образовании комплексных соединений, а также для расчета параметров аддитивных свойств растворов.
Прикладные задачи. Для решения многомерных задач анализа и оптимизации химико-технологических систем (ХТС) используют следующие химико-технологические графы (рис. 4): потоковые, информационно-потоковые, сигнальные и графы надежности. К потоковым графам, представляющим собой взвешенные орграфы, относятся параметрические, материальные по общим массовым расходам физических потоков и массовым расходам некоторых химических компонентов либо элементов, а также тепловые графы. Перечисленные графы соответствуют физико-химическим превращениям веществ и энергии в данной ХТС.
Параметрические потоковые графы отображают преобразование параметров (массовых расходов и др.) физических потоков элементами ХТС; вершины графов отвечают математическим моделям аппаратов, а также источникам и стокам указанных потоков, а дуги - самим потокам, причем веса дуг равны числу параметров соответствующего потока. Параметрические графы служат для разработки алгоритмов анализа технологических режимов многоконтурных ХТС. Такие алгоритмы устанавливают последовательность расчета систем уравнений математических моделей отдельных аппаратов какой-либо системы для определения параметров ее выходных потоков при известных значениях переменных входных потоков.
Материальные потоковые графы отображают изменения расходов веществ в ХТС. Вершины графов отвечают аппаратам, в которых трансформируются общие массовые расходы физических потоков и массовые расходы некоторых химических компонентов или элементов, а также источникам и стокам веществ потоков либо данных компонентов; соответственно, дуги графов отвечают физическим потокам или физическим и фиктивным (химические превращения веществ в аппаратах) источникам и стокам каких-либо компонентов, а веса дуг равны массовым расходам обоих типов. Тепловые потоковые графы отображают балансы теплоты в ХТС; вершины графов соответствуют аппаратам, в которых изменяются расходы теплоты физических потоков, и, кроме того, источникам и стокам тепловой энергии системы; дуги отвечают физическим и фиктивным (физ.-хим. превращения энергии в аппаратах) тепловым потокам, а веса дуг равны энтальпиям потоков. Материальные и тепловые графы используют для составления программ автоматизированной разработки алгоритмов решения систем уравнений материальных и тепловых балансов сложных ХТС.
Информационно-пстоковые графы отображают логико-информационную структуру систем уравнений математических моделей ХТС; применяются для составления оптимальных алгоритмов расчета этих систем. Двудольный информационный граф (рис. 4, е) неориентированный или ориентированный граф, вершины которого отвечают, соответственно, уравнениям f l -f 6 и переменным q 1 - V, а ветви отображают их взаимосвязь. Информационный граф (рис. 4, ж) - орграф, изображающий порядок решения уравнений; вершины графа отвечают этим уравнениям, источникам и приемникам информации ХТС, а ветви - информационным переменным.
Сигнальные графы соответствуют линейным системам уравнений математических моделей химико- технологических процессов и систем. Вершины графов отвечают сигналам (например, температуре), ветви - связям между ними. Такие графы используют для анализа статических и динамических режимов многопараметрических процессов и ХТС, а также показателей ряда их важнейших свойств (устойчивости, чувствительности, управляемости).
Графы надежности применяют для расчета различных показателей надежности ХТС. Среди многочисленных групп этих графов (например, параметрических, логико-функциональных) особенно важны так называемые деревья отказов. Каждое такое дерево - взвешенный орграф, отображающий взаимосвязь множества простых отказов отдельных процессов и аппаратов ХТС, которые приводят к множеству вторичных отказов и результирующему отказу системы в целом.
Для создания комплексов программ автоматизированного синтеза оптимальных высоконадежных производств (в том числе ресурсосберегающих) наряду с принципами искусственного интеллекта применяют ориентированные семантические, или смысловые, графы вариантов решений ХТС. Эти графы, которые в частном случае являются деревьями, изображают процедуры генерации множества рациональных альтернативных схем ХТС (например, 14 возможных при разделении ректификацией пятикомпонентной смеси целевых продуктов) и процедуры упорядоченного выбора среди них схемы, оптимальной по некоторому критерию эффективности системы.
и т.д.................

Графы служат, прежде всего, средством изображения молекул. При топологическом описании молекулы её изображают в виде мо-лекулярного графа (МГ), где вершины соответ-ствуют атомам, а рёбра - химическим связям (теоретико-графовая модель молекулы). Обыч-но в таком представлении рассматривают толь-ко скелетные атомы, например, углеводороды со «стёртыми» атомами водорода.

Валентность химических элементов на-кладывает на степени вершин определённые ограничения. У деревьев-алканов (связных гра-фов, не имеющих циклов) степени вершин (г) не могут превышать четырёх (г = 1, 2, 3, 4).

Графы можно задавать в матричном виде, что удобно при работе с ними на ЭВМ.

Матрица смежности вершин простого графа - это квадратная матрица А = [аσχ] с эле-ментами аσχ = 1, если вершины σ и χ соедине-ны ребром, аσχ = 0 - в противном случае. Ма-трица расстояний - это квадратная матрица D = с элементами dσχ, определяемыми как минимальное число рёбер (наикратчайшее рас-стояние) между вершинами σ и χ. Иногда при-меняются также матрицы смежности и расстоя-ний по рёбрам (А е и D e).

Вид матриц А и D (А е и D e) зависит от спо-соба нумерации вершин (или рёбер), что вызы-вает неудобство при обращении с ними. Для характеризации графа применяются инварианты графа - топологические индексы (ТИ).

Число путей длины один

pi = хсс 0 = m = n-1

Число путей длины два

Число троек смежных ребер (с общей вершиной)

Число Винера (W), определяемое как по-лусумма элементов матрицы расстояний рассма-триваемого графа:

и т.д.

Методология изучения связи «структура-свойство» через топологические индексы в теоретико-графовом подходе включает в себя следующие этапы .

Выбор объектов исследования (обучаю-щая выборка) и анализ состояния численных данных по свойству Р для данного круга соеди-нений.

Отбор ТИ с учетом их дискриминирую-щей способности, корреляционной способности со свойствами и т.д.

Изучение графических зависимостей «Свойство Р - ТИ графа молекулы», например, Р от n - числа скелетных атомов, Р от W - чис-ла Винера и т.п.

Установление функциональной (аналити-ческой) зависимости Р = _ДТИ), например,

Р = а(ТИ) + b ,

Р = аln(ТИ) + b ,

Р = а(ТИ) 1 +b(ТИ) 2 +...+n(ТИ) n +с

и т.п. Здесь а, b, с - некоторые параме-тры (не следует путать их с параметрами адди-тивных схем.), подлежащих определению.

Численные расчеты Р, сопоставление рас-считанных значений с экспериментальными.

Предсказание свойств еще не изученных и даже не полученных соединений (вне данной выборки).

Топологические индексы также исполь-зуются в построении аддитивных схем расчёта и прогнозирования. Они могут применяться при разработке новых лекарственных средств, при оценке канцерогенной активности некоторых химических веществ, для предсказания относи-тельной устойчивости новых (ещё не синтези-рованных) соединений и т.д.

Следует однако помнить, что выбор ТИ нередко носит случайный характер; они могут не отражать важные структурные особенности молекул или дублировать информацию (получа-емую с помощью других индексов), а расчетные схемы не иметь прочного теоретического фунда-мента и плохо поддаваться физико-химической интерпретации.

Коллектив кафедры физической химии ТвГУ уже в течение многих лет ведет расчетно-теоретическое исследование по проблеме «Связь свойств веществ со строением молекул: математическое (компьютерное) моделирование». В центре внимания целенаправленный по-иск новых структур, алгоритмы решения ряда теоретико-графовых и комбинаторных задач, возникающих в ходе сбора и обработки инфор-мации о структуре и свойствах веществ, созда-ние экспертных информационно-поисковых си-стем и баз данных, разработка количественных методов расчета и прогнозирования.

Нами были построены аддитивные схе-мы и найдены аналитические зависимости вида Р = У(ТИ) для ряда органических и других мо-лекул. По полученным формулам выполнены численные расчеты физико-химических свойств рассматриваемых соединений, с .

Список литературы

1. Виноградова М.Г., Папулов Ю.Г., Смо-ляков В.М. Количественные корреляции «струк-тура свойство « алканов. Аддитивные схемы расчета. Тверь, 1999. 96 с.
2. Химические приложения топологии и теории графов / Под ред. Р. Кинга. М.: Мир, 1987. 560 с.
3. Применение теории графов в химии / Под ред. Н.С. Зефирова и С.И. Кучанова. Ново-сибирск: Наука, 1988. 306 с.
4. Станкевич М.И., Станкевич И.В., Зе-фиров Н.С. Топологические индексы в органи-ческой химии // Успехи химии. 1988. Т.57, №3,С.337-366.
5. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н. Теоретико-графовый подход в изучении взаимосвязи между строением и свойствами алкилсиланов.// Фундаментальные исследования, 2009. №1. С. 17-19.
6. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н., Ефремова А.О., Мальчевская О.А. Взаимосвязь между строением и свойствами алкилсиланов //Успехи современного естествознания, №1, 2010. С.136-137.
7. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н.,Ефремова А.О. Корреляции «Структура - свойство» алкилсиланов: теоретико-графовый подход // Успехи современного естествознания, №3, 2010. С.141-142.

Библиографическая ссылка

Графы служат, прежде всего, средством изображения молекул. При топологическом описании молекулы её изображают в виде мо-лекулярного графа (МГ), где вершины соответ-ствуют атомам, а рёбра - химическим связям (теоретико-графовая модель молекулы). Обыч-но в таком представлении рассматривают толь-ко скелетные атомы, например, углеводороды со «стёртыми» атомами водорода.

Валентность химических элементов на-кладывает на степени вершин определённые ограничения. У деревьев-алканов (связных гра-фов, не имеющих циклов) степени вершин (г) не могут превышать четырёх (г = 1, 2, 3, 4).

Графы можно задавать в матричном виде, что удобно при работе с ними на ЭВМ.

Матрица смежности вершин простого графа - это квадратная матрица А = [аσχ] с эле-ментами аσχ = 1, если вершины σ и χ соедине-ны ребром, аσχ = 0 - в противном случае. Ма-трица расстояний - это квадратная матрица D = с элементами dσχ, определяемыми как минимальное число рёбер (наикратчайшее рас-стояние) между вершинами σ и χ. Иногда при-меняются также матрицы смежности и расстоя-ний по рёбрам (А е и D e).

Вид матриц А и D (А е и D e) зависит от спо-соба нумерации вершин (или рёбер), что вызы-вает неудобство при обращении с ними. Для характеризации графа применяются инварианты графа - топологические индексы (ТИ).

Число путей длины один

pi = хсс 0 = m = n-1

Число путей длины два

Число троек смежных ребер (с общей вершиной)

Число Винера (W), определяемое как по-лусумма элементов матрицы расстояний рассма-триваемого графа:

и т.д.

Методология изучения связи «структура-свойство» через топологические индексы в теоретико-графовом подходе включает в себя следующие этапы .

Выбор объектов исследования (обучаю-щая выборка) и анализ состояния численных данных по свойству Р для данного круга соеди-нений.

Отбор ТИ с учетом их дискриминирую-щей способности, корреляционной способности со свойствами и т.д.

Изучение графических зависимостей «Свойство Р - ТИ графа молекулы», например, Р от n - числа скелетных атомов, Р от W - чис-ла Винера и т.п.

Установление функциональной (аналити-ческой) зависимости Р = _ДТИ), например,

Р = а(ТИ) + b ,

Р = аln(ТИ) + b ,

Р = а(ТИ) 1 +b(ТИ) 2 +...+n(ТИ) n +с

и т.п. Здесь а, b, с - некоторые параме-тры (не следует путать их с параметрами адди-тивных схем.), подлежащих определению.

Численные расчеты Р, сопоставление рас-считанных значений с экспериментальными.

Предсказание свойств еще не изученных и даже не полученных соединений (вне данной выборки).

Топологические индексы также исполь-зуются в построении аддитивных схем расчёта и прогнозирования. Они могут применяться при разработке новых лекарственных средств, при оценке канцерогенной активности некоторых химических веществ, для предсказания относи-тельной устойчивости новых (ещё не синтези-рованных) соединений и т.д.

Следует однако помнить, что выбор ТИ нередко носит случайный характер; они могут не отражать важные структурные особенности молекул или дублировать информацию (получа-емую с помощью других индексов), а расчетные схемы не иметь прочного теоретического фунда-мента и плохо поддаваться физико-химической интерпретации.

Коллектив кафедры физической химии ТвГУ уже в течение многих лет ведет расчетно-теоретическое исследование по проблеме «Связь свойств веществ со строением молекул: математическое (компьютерное) моделирование». В центре внимания целенаправленный по-иск новых структур, алгоритмы решения ряда теоретико-графовых и комбинаторных задач, возникающих в ходе сбора и обработки инфор-мации о структуре и свойствах веществ, созда-ние экспертных информационно-поисковых си-стем и баз данных, разработка количественных методов расчета и прогнозирования.

Нами были построены аддитивные схе-мы и найдены аналитические зависимости вида Р = У(ТИ) для ряда органических и других мо-лекул. По полученным формулам выполнены численные расчеты физико-химических свойств рассматриваемых соединений, с .

Список литературы

1. Виноградова М.Г., Папулов Ю.Г., Смо-ляков В.М. Количественные корреляции «струк-тура свойство « алканов. Аддитивные схемы расчета. Тверь, 1999. 96 с.
2. Химические приложения топологии и теории графов / Под ред. Р. Кинга. М.: Мир, 1987. 560 с.
3. Применение теории графов в химии / Под ред. Н.С. Зефирова и С.И. Кучанова. Ново-сибирск: Наука, 1988. 306 с.
4. Станкевич М.И., Станкевич И.В., Зе-фиров Н.С. Топологические индексы в органи-ческой химии // Успехи химии. 1988. Т.57, №3,С.337-366.
5. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н. Теоретико-графовый подход в изучении взаимосвязи между строением и свойствами алкилсиланов.// Фундаментальные исследования, 2009. №1. С. 17-19.
6. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н., Ефремова А.О., Мальчевская О.А. Взаимосвязь между строением и свойствами алкилсиланов //Успехи современного естествознания, №1, 2010. С.136-137.
7. Виноградова М.Г., Салтыкова М.Н.,Ефремова А.О. Корреляции «Структура - свойство» алкилсиланов: теоретико-графовый подход // Успехи современного естествознания, №3, 2010. С.141-142.

Библиографическая ссылка

ТЕОРИЯ ГРАФОВ

Одна из ветвей топологии. Графом называют геометрическую схему, представляющую собой систему линий, связывающих какие-то заданные точки. Точки называются вершинами, а связывающие их линии – ребрами (или дугами). Все задачи теории графов могут решаться как в графической, так и в матричной форме. В случае записи в матричной форме возможность передачи сообщения из данной вершины в другую обозначается единицей, а ее отсутствие – нулем.

Зарождение Теории Графов в 18 в. связано с математическими головоломками, но особенно сильный толчок ее развитию был дан в 19 в. и главным образом в 20 в., когда обнаружились возможности ее практических приложений: для расчета радиоэлектронных схем, решения т.н. транспортных задач и др. С 50-х гг. Теория графов все шире используется в социальной психологии и социологии.

В области Теории Графов следует назвать работы Ф. Харри, Дж. Кемени, К. Фламента, Дж. Снелла, Дж. Френча, Р. Норманна, О. Ойзера, А. Бейвеласа, Р. Вейса и др. В СССР по Т. г. работают Φ. Μ. Бородкин и др.

Язык Теории графов хорошо приспособлен для анализа разного рода структур и передачи состояний. В соответствии с этим можно выделить следующие типы социологических и социально-психологических задач, решаемых с помощью Теории графов.

1) Формализация и построение общей структурной модели социального объекта на разных уровнях его сложности. Например, структурная схема организации, социограммы, сравнение систем родства в разных обществах, анализ ролевой структуры групп и т.д. Можно считать, что ролевая структура включает три компонента: лица, позиции (в упрощенном варианте - должности) и задачи, выполняемые в данной позиции. Каждая компонента может быть представлена в виде графа:

Можно совместить все три графа для всех позиций либо только для одной, и в результате мы получаем ясное представление о конкретной структуре к.-л. данной роли. Так, для роли позиции P5 имеем граф (рис.). Вплетение неформальных отношений в указанную формальную структуру значительно усложнит граф, но зато он будет более точной копией действительности.

2) Анализ полученной модели, выделение в ней структурных единиц (подсистем) и изучение их связей. Таким способом могут быть выделены, напр., подсистемы в крупных организациях.

3) Изучение уровней структуры иерархических организаций: количество уровней, количество связей, идущих из одного уровня в другой и от одного лица к другому. На основании этого решаются задачи:

а) количеств. оценки веса (статуса) индивида в иерархической организации. Одним из возможных вариантов определения статуса является формула:

где r (р) - статус некоторого лица р, k - величина уровня субординации, определяемая как наименьшее количество шагов от данного лица к своему подчиненному, nk - количество лиц на данном уровне k. Напр., в организации, представленной след. графом:

вес а=1·2+2·7+3·4=28; 6=1·3+2·3=9 и т.д.

б) определение лидера группы. Лидер характеризуется обычно большей по сравнению с другими связанностью с остальными членами группы. Как и в предыдущей задаче, здесь также могут быть использованы различные способы для выделения лидера.

Наиболее простой способ дается формулой: r=Σdxy/Σdqx, т.е. частное от деления суммы всех дистанций каждого до всех других на сумму дистанций данного индивида до всех других.

4) Анализ эффективности деятельности данной системы, куда входят также такие задачи, как поиски оптимальной структуры организации, повышение сплоченности группы, анализ социальной системы с точки зрения ее устойчивости; исследование потоков информации (передачи сообщений при решении задач, влияние членов группы друг на друга в процессе сплачивания группы); при помощи Т. г. решают проблему нахождения оптимальной коммуникационной сети.

В применении к Теории графов, так же как к любому математическому аппарату, верно утверждение, что основные принципы решения задачи задаются, содержательной теорией (в данном случае социологией).

Задача : Три соседа имеют три общих колодца. Можно ли провести непересекающиеся дорожки от каждого дома к каждому колодцу. Дорожки не могут проходить через колодцы и домики (рис.1).

Рис. 1. К задаче о домиках и колодцах.

Для решения этой задачи воспользуемся теоремой, доказанной Эйлером в 1752 году, которая является одной из основных в теории графов. Первая работа по теории графов принадлежит Леонарду Эйлеру (1736 год), хотя термин «граф» впервые ввел в 1936 году венгерский математик Денеш Кениг. Графами были названы схемы, состоящие из точек и соединяющих эти точки отрезков прямых или кривых.

Теорема. Если многоугольник разбит на конечное число многоугольников так, что любые два многоугольника разбиения или не имеют общих точек, или имеют общие вершины, или имеют общие ребра, то имеет место равенство

В - Р + Г = 1, (*)

где В - общее число вершин, Р - общее число ребер, Г - число многоугольников (граней).

Доказательство. Докажем, что равенство не изменится, если в каком-нибудь многоугольнике данного разбиения провести диагональ (рис. 2, а).

Действительно, после проведения такой диагонали в новом разбиении будет В вершин, Р+1 ребер и количество многоугольников увеличится на единицу. Следовательно, имеем

В - (Р + 1) + (Г+1) = В – Р + Г.

Пользуясь этим свойством, проведем диагонали, разбивающие входящие многоугольники на треугольники, и для полученного разбиения покажем выполнимость соотношения.

Для этого будем последовательно убирать внешние ребра, уменьшая количество треугольников. При этом возможны два случая:

для удаления треугольника ABC требуется снять два ребра, в нашем случае AB и BC;

для удаления треугольника MKN требуется снять одно ребро, в нашем случае MN.

В обоих случаях равенство не изменится. Например, в первом случае после удаления треугольника граф будет состоять из В-1 вершин, Р-2 ребер и Г-1 многоугольника:

(В - 1) - (Р + 2) + (Г -1) = В – Р + Г.

Таким образом, удаление одного треугольника не меняет равенства.

Продолжая этот процесс удаления треугольников, в конце концов, мы придем к разбиению, состоящему из одного треугольника. Для такого разбиения В = 3, Р = 3, Г = 1 и, следовательно,

Значит, равенство имеет место и для исходного разбиения, откуда окончательно получаем, что для данного разбиения многоугольника справедливо соотношение.

Заметим, что соотношение Эйлера не зависит от формы многоугольников. Многоугольники можно деформировать, увеличивать, уменьшать или даже искривлять их стороны, лишь бы при этом не происходило разрывов сторон. Соотношение Эйлера при этом не изменится.

Приступим теперь к решению задачи о трех домиках и трех колодцах.

Решение. Предположим, что это можно сделать. Отметим домики точками Д1, Д2, Д3, а колодцы - точками К1, К2, К3 (рис. 1). Каждую точку-домик соединим с каждой точкой-колодцем. Получим девять ребер, которые попарно не пересекаются.

Эти ребра образуют на плоскости многоугольник, разделенный на более мелкие многоугольники. Поэтому для этого разбиения должно выполняться соотношение Эйлера В - Р + Г= 1.

Добавим к рассматриваемым граням еще одну - внешнюю часть плоскости по отношению к многоугольнику. Тогда соотношение Эйлера примет вид В - Р + Г = 2, причем В = 6 и Р = 9.

Причем последние 12 лет своей жизни Эйлер тяжело болел, ослеп и, несмотря на тяжелый недуг, продолжал работать и творить.

Статистические подсчеты показывают, что Эйлер в среднем делал одно открытие в неделю.

Трудно найти математическую проблему, которая не была бы затронута в произведениях Эйлера.

Все математики последующих поколений так или иначе учились у Эйлера, и недаром известный французский ученый П.С. Лаплас сказал: "Читайте Эйлера, он – учитель всех нас".

Лагранж говорит: "Если вы действительно любите математику, читайте Эйлера; изложение его сочинений отличается удивительною ясностью и точностью". Действительно, изящество вычислений доведено у него до высшей степени. Кондорсе заключил свою речь в академии в память Эйлера следующими словами: "Итак, Эйлер перестал жить и вычислять!" Жить, чтобы вычислять - каким это кажется скучным со стороны! Математика принято представлять себе сухим и глухим ко всему житейскому, к тому, что занимает обыкновенных людей.

С именем Эйлера, является задача о трех домиках и трех колодцах.

ТЕОРИЯ ГРАФОВ

Одна из ветвей топологии. Графом называют геометрическую схему, представляющую собой систему линий, связывающих какие-то заданные точки. Точки называются вершинами, а связывающие их линии – ребрами (или дугами). Все задачи теории графов могут решаться как в графической, так и в матричной форме. В случае записи в матричной форме возможность передачи сообщения из данной вершины в другую обозначается единицей, а ее отсутствие – нулем.

Зарождение Теории Графов в 18 в. связано с математическими головоломками, но особенно сильный толчок ее развитию был дан в 19 в. и главным образом в 20 в., когда обнаружились возможности ее практических приложений: для расчета радиоэлектронных схем, решения т.н. транспортных задач и др. С 50-х гг. Теория графов все шире используется в социальной психологии и социологии.

В области Теории Графов следует назвать работы Ф. Харри, Дж. Кемени, К. Фламента, Дж. Снелла, Дж. Френча, Р. Норманна, О. Ойзера, А. Бейвеласа, Р. Вейса и др. В СССР по Т. г. работают Φ. Μ. Бородкин и др.

Язык Теории графов хорошо приспособлен для анализа разного рода структур и передачи состояний. В соответствии с этим можно выделить следующие типы социологических и социально-психологических задач, решаемых с помощью Теории графов.

Формализация и построение общей структурной модели социального объекта на разных уровнях его сложности. Например, структурная схема организации, социограммы, сравнение систем родства в разных обществах, анализ ролевой структуры групп и т.д. Можно считать, что ролевая структура включает три компонента: лица, позиции (в упрощенном варианте - должности) и задачи, выполняемые в данной позиции. Каждая компонента может быть представлена в виде графа:

Можно совместить все три графа для всех позиций либо только для одной, и в результате мы получаем ясное представление о конкретной структуре к.-л. данной роли. Так, для роли позиции P5 имеем граф (рис.). Вплетение неформальных отношений в указанную формальную структуру значительно усложнит граф, но зато он будет более точной копией действительности.

2) Анализ полученной модели, выделение в ней структурных единиц (подсистем) и изучение их связей. Таким способом могут быть выделены, напр., подсистемы в крупных организациях.

3) Изучение уровней структуры иерархических организаций: количество уровней, количество связей, идущих из одного уровня в другой и от одного лица к другому. На основании этого решаются задачи:

а) количеств. оценки веса (статуса) индивида в иерархической организации. Одним из возможных вариантов определения статуса является формула:

где r (р) - статус некоторого лица р, k - величина уровня субординации, определяемая как наименьшее количество шагов от данного лица к своему подчиненному, nk - количество лиц на данном уровне k. Напр., в организации, представленной след. графом:

вес а=1·2+2·7+3·4=28; 6=1·3+2·3=9 и т.д.

б) определение лидера группы. Лидер характеризуется обычно большей по сравнению с другими связанностью с остальными членами группы. Как и в предыдущей задаче, здесь также могут быть использованы различные способы для выделения лидера.

Наиболее простой способ дается формулой: r=Σdxy/Σdqx, т.е. частное от деления суммы всех дистанций каждого до всех других на сумму дистанций данного индивида до всех других.

4) Анализ эффективности деятельности данной системы, куда входят также такие задачи, как поиски оптимальной структуры организации, повышение сплоченности группы, анализ социальной системы с точки зрения ее устойчивости; исследование потоков информации (передачи сообщений при решении задач, влияние членов группы друг на друга в процессе сплачивания группы); при помощи Т. г. решают проблему нахождения оптимальной коммуникационной сети.

В применении к Теории графов, так же как к любому математическому аппарату, верно утверждение, что основные принципы решения задачи задаются, содержательной теорией (в данном случае социологией).

Задача : Три соседа имеют три общих колодца. Можно ли провести непересекающиеся дорожки от каждого дома к каждому колодцу. Дорожки не могут проходить через колодцы и домики (рис.1).

Рис. 1. К задаче о домиках и колодцах.

Для решения этой задачи воспользуемся теоремой, доказанной Эйлером в 1752 году, которая является одной из основных в теории графов. Первая работа по теории графов принадлежит Леонарду Эйлеру (1736 год), хотя термин «граф» впервые ввел в 1936 году венгерский математик Денеш Кениг. Графами были названы схемы, состоящие из точек и соединяющих эти точки отрезков прямых или кривых.

Теорема. Если многоугольник разбит на конечное число многоугольников так, что любые два многоугольника разбиения или не имеют общих точек, или имеют общие вершины, или имеют общие ребра, то имеет место равенство

В - Р + Г = 1, (*)

где В - общее число вершин, Р - общее число ребер, Г - число многоугольников (граней).

Доказательство. Докажем, что равенство не изменится, если в каком-нибудь многоугольнике данного разбиения провести диагональ (рис. 2, а).

а) б)

Действительно, после проведения такой диагонали в новом разбиении будет В вершин, Р+1 ребер и количество многоугольников увеличится на единицу. Следовательно, имеем

В - (Р + 1) + (Г+1) = В – Р + Г.

Пользуясь этим свойством, проведем диагонали, разбивающие входящие многоугольники на треугольники, и для полученного разбиения покажем выполнимость соотношения.

Для этого будем последовательно убирать внешние ребра, уменьшая количество треугольников. При этом возможны два случая:

для удаления треугольника ABC требуется снять два ребра, в нашем случае AB и BC;

для удаления треугольника MKN требуется снять одно ребро, в нашем случае MN.

В обоих случаях равенство не изменится. Например, в первом случае после удаления треугольника граф будет состоять из В-1 вершин, Р-2 ребер и Г-1 многоугольника:

(В - 1) - (Р + 2) + (Г -1) = В – Р + Г.

Таким образом, удаление одного треугольника не меняет равенства.

Продолжая этот процесс удаления треугольников, в конце концов, мы придем к разбиению, состоящему из одного треугольника. Для такого разбиения В = 3, Р = 3, Г = 1 и, следовательно,

Значит, равенство имеет место и для исходного разбиения, откуда окончательно получаем, что для данного разбиения многоугольника справедливо соотношение.

Заметим, что соотношение Эйлера не зависит от формы многоугольников. Многоугольники можно деформировать, увеличивать, уменьшать или даже искривлять их стороны, лишь бы при этом не происходило разрывов сторон. Соотношение Эйлера при этом не изменится.

Приступим теперь к решению задачи о трех домиках и трех колодцах.

Решение. Предположим, что это можно сделать. Отметим домики точками Д1, Д2, Д3, а колодцы - точками К1, К2, К3 (рис. 1). Каждую точку-домик соединим с каждой точкой-колодцем. Получим девять ребер, которые попарно не пересекаются.

Эти ребра образуют на плоскости многоугольник, разделенный на более мелкие многоугольники. Поэтому для этого разбиения должно выполняться соотношение Эйлера В - Р + Г= 1.

Добавим к рассматриваемым граням еще одну - внешнюю часть плоскости по отношению к многоугольнику. Тогда соотношение Эйлера примет вид В - Р + Г = 2, причем В = 6 и Р = 9.

Следовательно, Г = 5. Каждая из пяти граней имеет, по крайней мере, четыре ребра, поскольку, по условию задачи, ни одна из дорожек не должна непосредственно соединять два дома или два колодца. Так как каждое ребро лежит ровно в двух гранях, то количество ребер должно быть не меньше (5 4)/2 = 10, что противоречит условию, по которому их число равно 9.

Полученное противоречие показывает, что ответ в задаче отрицателен - нельзя провести непересекающиеся дорожки от каждого домика к каждому коло

Теория Графов в химии

Применение теории графов на построении и анализе различных классов химических и химико-технологических графов, которые называются также топология, моделями, т.е. моделями, учитывающими только характер связи вершин. Дуги (ребра) и вершины этих графов отображают химический и химическо-технологический понятия, явления, процессы или объекты и соответственно качественной и количественной взаимосвязи либо определенные отношения между ними.

Теоретические задачи. Химические графы дают возможность прогнозировать химические превращения, пояснять сущность и систематизировать некоторые основные понятия химии: структуру, конфигурацию, конфирмации, квантовомеханическую и статистико-механическую взаимодействия молекул, изомерию и др. К химическим графам относятся молекулярные, двудольные и сигнальные графы кинетических уравнений реакций. Молекулярные графы, применяемые в стереохимии и структурной топологии, химии кластеров, полимеров и др., представляют собой неориентированные графы, отображающие строение молекул. Вершины и ребра этих графов отвечают соответствующим атомам и химическим связям между ними.

В стереохимии орг. в-в наиболее часто используют молекулярные деревья - остовные деревья молекулярных графов, которые содержат только все вершины, соответствующие атомам Составление наборов молекулярных деревьев и установление их изоморфизма позволяют определять молекулярные структуры и находить полное число изомеров алканов, алкенов и алкинов. Молекулярные графы дают возможность сводить задачи, связанные с кодированием, номенклатурой и структурными особенностями (разветвленность, цикличность и т.п.) молекул различных соединений, к анализу и сопоставлению чисто математических признаков и свойств молекулярных графов и их деревьев, а также соответствующих им матриц. Для выявления количества корреляций между строением молекул и физико-химическими (в т.ч. фармакологическими) свойствами соединений разработано более 20 т. наз. Топологических индексов молекул (Винера, Балабана, Хосойи, Плата, Рандича и др.), которые определяют с помощью матриц и числовых характеристик молекулярных деревьев. Напр., индекс Винера W = (m3 + m)/6, где т-число вершин, отвечающих атомам С, коррелирует с молекулярными объемами и рефракциями, энтальпиями образования, вязкостью, поверхностным натяжением, хроматографическими константами соединений, октановыми числами углеводородов и даже физиол. активностью лекарственных препаратов. Важными параметрами молекулярных графов, используемыми для определения таутомерных форм данного вещества и их реакционной способности, а также при классификации аминокислот, нуклеиновых кислот, углеводов и др. сложных природных соединений, являются средняя и полная (Н)информационная емкости. Анализ молекулярных графов полимеров, вершины которых отвечают мономерным звеньям, а ребра-химическими связям между ними, позволяет объяснить, например: эффекты исключенного объема, приводящие к качеств. изменениям прогнозируемых свойств полимеров. С применением Теории графов и принципов искусственного интеллекта разработано программное обеспечение информационно-поисковых систем в химии, а также автоматизированных систем идентификации молекулярных структур и рационального планирования органического синтеза. Для практической реализации на ЭВМ операций выбора рациональных путей хим. превращений на основе ретросинтетического и синтонного принципов используют многоуровневые разветвленные графы поиска вариантов решений, вершины которых соответствуют молекулярным графам реагентов и продуктов, а дуги изображают превращения.

Для решения многомерных задач анализа и оптимизации химико-технологических систем (ХТС) используют следующие химико-технологические графы: потоковые, информационно-потоковые, сигнальные и графы надежности. Для изучения в хим. физике возмущений в системах, состоящих из большого числа частиц, используют т. наз. диаграммы Фейнмана-графы, вершины которых отвечают элементарным взаимодействиям физических частиц, ребра их путям после столкновений. В частности, эти графы позволяют исследовать механизмы колебательных реакций и определять устойчивость реакционных систем.Материальные потоковые графы отображают изменения расходов в-в в ХТС.Тепловые потоковые графы отображают балансы теплоты в ХТС; вершины графов соответствуют аппаратам, в которых изменяются расходы теплоты физических потоков, и, кроме того, источникам и стокам тепловой энергии системы; дуги отвечают физическим и фиктивным (физ.-хим. превращения энергии в аппаратах) тепловым потокам, а веса дуг равны энтальпиям потоков. Материальные и тепловые графы используют для составления программ автоматизированной разработки алгоритмов решения систем уравнений материальных и тепловых балансов сложных ХТС. Информационно-потоковые графы отображают логико-информационную структуру систем уравнений мат. моделей ХТС; применяются для составления оптимальных алгоритмов расчета этих систем. Двудольный информационный граф неориентированный или ориентированный граф, вершины которого отвечают соотв. уравнениям fl -f6 и переменным q1 – V, а ветви отображают их взаимосвязь. Информационный граф – орграф, изображающий порядок решения уравнений; вершины графа отвечают этим уравнениям, источникам и приемникам информации ХТС, а ветви-информац. переменным. Сигнальные графы соответствуют линейным системам уравнений математических моделей химико-технологических процессов и систем. Графы надежности применяют для расчета различных показателей надежности Х.

Использованная литература :

1.Берж К., Т. г. и ее применение, перевод с французского, М., 1962;

2.Кемени Дж., Снелл Дж., Томпсон Дж., Введение в конечную математику, пер. с англ., 2 изд., М., 1963;

3.Ope О., Графы и их применение, пер. с англ., М., 1965;

4. Белых О. В., Беляев Э. В., Возможности применения Т. г. в социологии, в сб.: Человек и общество, вып. 1, [Л.], 1966;

5. Количественные методы в социологических исследованиях, М., 1966; Беляев Э. В., Проблемы социологических измерения, "ВФ", 1967, No 7; Bavelas. Communication patterns in task oriented groups, в кн. Lerner D., Lass well H., Policy sciences, Stanford, 1951;

6.Кemeny J. G., Snell J., Mathematical models in the social sciences, N. Y., 1962; Filament C., Applications of graph theory to group structure, N. Y., 1963; Оeser Ο. Α., Harаrу F., Role structures and description in terms of graph theory, в кн.: Вiddle В., Thomas E. J., Role theory: concepts and research, N. Y., 1966. Э. Беляев. Ленинград.