Breve Introdução a Grafos e Redes Complexas
Marcia Paiva
Laboratório de Telecomunicações - LabTel
Universidade Federal do Espı́rito Santo
II Jornada de Atualização em Computação, Elétrica e Eletrônica - JACEE
Vitória, 13 de novembro de 2014
Marcia Paiva (LabTel - UFES)
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Sumário
1
Introdução
2
Definições e resultados
3
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
4
Exemplo: Redes de Telecomunicações
5
Próximo capı́tulo . . .
6
Referências
Marcia Paiva (LabTel - UFES)
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2 / 61
Introdução
Sumário
1
2
3
4
5
6
Introdução
Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Próximo capı́tulo . . .
Referências
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Introdução
Alguns aspectos históricos
Theorie der endlichen und unendlichen graphen
D. König
1936
Problema das Pontes de Königsberg
Kaliningrado (Rússia, entre a Polônia e a Lituânia)
1736
Leonhard Euler (1707 − 1783)
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Introdução
O Problema das Pontes de Königsberg
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Introdução
O Problema das Pontes de Königsberg
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Introdução
O Problema das Pontes de Königsberg
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Introdução
Grafos: Objetos e suas relações
Grafo
Estrutura matemática usada
para modelar relações entre
objetos de um certo conjunto.
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Introdução
Grafos: Objetos e suas relações
Grafo
Estrutura matemática usada
para modelar relações entre
objetos de um certo conjunto.
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Introdução
Grafos: Objetos e suas relações
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Introdução
Grafos: Objetos e suas relações
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Definições e resultados
Sumário
1
2
3
4
5
6
Introdução
Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Próximo capı́tulo . . .
Referências
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Definições e resultados
Definições gerais
Mais formalmente...
Um grafo é uma estrutura G = G (V , E ), onde:
V é um conjunto finito e não vazio de elementos
denominados vértices (ou nós); e
E é um conjunto de subconjuntos {u, v }, com u, v ∈ V ,
denominados arestas (ou enlaces).
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Definições e resultados
Definições gerais
Um grafo é uma estrutura G = G (V , E ), onde:
V é um conjunto finito e não vazio de elementos
denominados vértices (ou nós); e
E é um conjunto de subconjuntos {u, v }, com u, v ∈ V ,
denominados arestas (ou enlaces).
Notação:
n: número de nós
m: número de arestas
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Definições e resultados
Definições gerais
Matriz de Adjacências A(G ) de um grafo G :

0
1

1

1

A(G ) = 
0
0

0

0
0
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0
1
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0
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1
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1

0
0

0

0

0

0

0

1
0
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo simples
Um grafo é denominado simples quando ele não possui
laços, arestas múltiplas e orientação.
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo simples
Um grafo é denominado simples quando ele não possui
laços, arestas múltiplas e orientação.
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Definições e resultados
Definições gerais
Densidade
A densidade de um grafo simples é a relação entre o seu
número de arestas e o maior número possı́vel.
Em um grafo simples, a densidade é igual a
m/C(n,2) = 2m/n(n − 1).
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Definições e resultados
Definições gerais
Grau
O grau de um vértice v , denotado por grau(v ), é a
quantidade de arestas que nele incidem.
δ(G ) = min{grau(v )}, ∀v ∈ G
∆(G ) = max{grau(v )}, ∀v ∈ G
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Definições e resultados
Definições gerais
Grau
O grau de um vértice v , denotado por grau(v ), é a
quantidade de arestas que nele incidem.
δ(G ) = min{grau(v )}, ∀v ∈ G
∆(G ) = max{grau(v )}, ∀v ∈ G
Relações de adjacência
Vértices ligados por arestas são ditos vértices
adjacentes ou vizinhos.
Arestas que incidem em um mesmo vértice são
arestas adjacentes.
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Definições e resultados
Definições gerais - Exemplo
n, m
densidade de arestas
vértices adjacentes
arestas adjacentes
grau de um vértice
grau mı́nimo δ
grau máximo ∆
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo k-regular
Todos os vértices do grafo tem o mesmo grau k.
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo k-regular
Todos os vértices do grafo tem o mesmo grau k.
Grafo completo
Todos os vértices do grafo tem o mesmo grau k, com k máximo.
Ou seja, quaisquer dois vértices distintos são adjacentes.
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Definições e resultados
Definições gerais
Percursos
Informalmente, um caminho é uma sequência de nós e arestas, sem
repetição.
Um ciclo é um caminho que começa e termina no mesmo nó.
Um grafo que não possui ciclo é dito acı́clico.
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Definições e resultados
Definições gerais
Percursos
Informalmente, um caminho é uma sequência de nós e arestas, sem
repetição.
Um ciclo é um caminho que começa e termina no mesmo nó.
Um grafo que não possui ciclo é dito acı́clico.
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Definições e resultados
Definições gerais
Percursos
Informalmente, um caminho é uma sequência de nós e arestas, sem
repetição.
Um ciclo é um caminho que começa e termina no mesmo nó.
Um grafo que não possui ciclo é dito acı́clico.
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Definições e resultados
Definições gerais
Percursos
Um ciclo euleriano é um que passa exatamente uma vez por cada
aresta do grafo.
Um ciclo hamiltoniano é um ciclo que passa exatamente uma vez
por cada vértice do grafo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Percursos
Um ciclo euleriano é um que passa exatamente uma vez por cada
aresta do grafo.
Um ciclo hamiltoniano é um ciclo que passa exatamente uma vez
por cada vértice do grafo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo conexo
Um grafo conexo é um grafo no qual existe um caminho
interligando qualquer par de seus vértices.
Um grafo que não é conexo será denominado desconexo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Grafo conexo
Um grafo conexo é um grafo no qual existe um caminho
interligando qualquer par de seus vértices.
Um grafo que não é conexo será denominado desconexo.
Figura: (a) Um grafo conexo, e (b) Um grafo desconexo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Árvore
Um grafo conexo e acı́clico é denominado árvore.
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Definições e resultados
Árvores
Teorema:
Dado um grafo G , as afirmações seguintes são equivalentes:
1
G é uma árvore.
2
Quaisquer dois vértices de G são ligados por um único caminho.
3
G é conexo e m = n − 1.
4
G é acı́clico e m = n − 1.
5
G é acı́clico e se quaisquer dois vértices não adjacentes de G são
ligados por uma aresta e, então G + e tem exatamente um ciclo.
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Definições e resultados
Árvores
Teorema:
Dado um grafo G , as afirmações seguintes são equivalentes:
1
G é uma árvore.
2
Quaisquer dois vértices de G são ligados por um único caminho.
3
G é conexo e m = n − 1.
4
G é acı́clico e m = n − 1.
5
G é acı́clico e se quaisquer dois vértices não adjacentes de G são
ligados por uma aresta e, então G + e tem exatamente um ciclo.
Corolário:
Toda árvore (n ≥ 2) tem pelo menos dois vértices de grau 1, chamados
vértices terminais ou folhas.
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Definições e resultados
Árvores
Com estes resultados, concluı́mos que:
Uma árvore é um grafo conexo minimal com relação
ao número de arestas.
Ou seja, dados n nós, o menor grafo conexo que se
pode construir é uma árvore.
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Definições e resultados
Exemplo: árvores não isomorfas com 7 nós
Dados 7 nós, existem 11 configurações possı́veis de árvores não isomorfas:
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Definições e resultados
Definições gerais
Cortes em um grafo
Uma articulação é um vértice que, ao ser retirado,
torna o grafo desconexo.
Uma ponte é uma aresta que, ao ser retirada, torna o
grafo desconexo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Conectividade de vértices k(G ) de um grafo G
Menor número de vértices que, ao serem retirados, o grafo se torna
desconexo (ou se reduz a um único vértice).
Conectividade de arestas k ′ (G ) de um grafo G
Menor número de arestas que, ao serem retiradas, o grafo se torna
desconexo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Conectividade de vértices k(G ) de um grafo G
Menor número de vértices que, ao serem retirados, o grafo se torna
desconexo (ou se reduz a um único vértice).
Conectividade de arestas k ′ (G ) de um grafo G
Menor número de arestas que, ao serem retiradas, o grafo se torna
desconexo.
Portanto:
Em qualquer árvore T , k(T ) = k ′ (T ) = 1.
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Definições e resultados
Conectividade em árvores T
A expressão k(T ) = k ′ (T ) = 1 pode ser traduzida como:
Basta uma falha (vértice/aresta) para tornar o grafo
desconexo.
Toda aresta é uma ponte, e todo vértice (exceto
possivelmente os terminais) é uma articulação.
Existe um único caminho entre qualquer par de vértices.
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Definições e resultados
Definições gerais
Conectividade
Um grafo G tal que k(G ) ≥ 2 é denominado grafo 2-conexo.
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Definições e resultados
Definições gerais
Conectividade
Um grafo G tal que k(G ) ≥ 2 é denominado grafo 2-conexo.
Como consequência da definição:
Em um grafo 2-conexo G , não há pontes e nem articulações.
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Definições e resultados
Definições gerais
Conectividade
Um grafo G tal que k(G ) ≥ 2 é denominado grafo 2-conexo.
Como consequência da definição:
Em um grafo 2-conexo G , não há pontes e nem articulações.
Teorema (Whitney, 1932):
Um grafo G é p-conexo se, e somente se, qualquer par de vértices de G
é interligado por no mı́nimo p caminhos disjuntos.
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Definições e resultados
Definições gerais
Distância
A distância dist(s, d) entre dois nós s e d e o número de
enlaces de um menor caminho entre s e d.
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Definições e resultados
Definições gerais
Distância
A distância dist(s, d) entre dois nós s e d e o número de
enlaces de um menor caminho entre s e d.
Diâmetro
O diâmetro do grafo, denotado diam(G ), é a maior
distância entre quaisquer dois nós s, d ∈ V .
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Definições e resultados
Definições gerais
Matriz de distâncias Dist(G ) de um grafo G :

0
1

1

1

Dist(G ) = 
3
3

3

2
3
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1
0
1
2
2
2
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2
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1
3
3
3
2
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1
2
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0
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3
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1
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0
1
2
2
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2
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1
1
1
0
1

3
2

3

2

2

2

2

1
0
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Percursos em grafos
Sumário
1
2
3
4
5
6
Introdução
Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Próximo capı́tulo . . .
Referências
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33 / 61
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Voltando ao problema das pontes. . .
Traduzindo para a linguagem de grafos, a questão das pontes de
Königsberg fica assim:
Começando de um vértice qualquer, existe um percurso
que passa por cada aresta do grafo exatamente uma vez e
retorna ao vértice inicial?
Com a nomenclatura atual podemos perguntar:
O grafo G possui um ciclo euleriano?
Ou, equivalentemente:
Quando um grafo pode ser desenhado sem levantar o lápis do
papel?
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Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos eulerianos
A resposta dada por Euler:
Um grafo G possui um ciclo euleriano (isto é, G é euleriano) se,
e somente se:
G é conexo; e
cada vértice de G tem grau par.
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35 / 61
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos eulerianos
Teorema (Euler, 1736):
Um grafo conexo é euleriano se, e somente se,
todos os seus vértices tem grau par.
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Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos eulerianos
Teorema (Euler, 1736):
Um grafo conexo é euleriano se, e somente se,
todos os seus vértices tem grau par.
Conclusão:
O tour pelas pontes não é possı́vel!
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Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Aplicações
Problemas de entregas domiciliares ou recolhimento, como:
o Problema do Carteiro Chinês (Kwan Mei-Ko, 1962);
coleta de lixo;
limpeza de ruas com veı́culos vassoura.
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37 / 61
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Decisão versus Otimização
Tipos de problemas envolvendo grafos:
Dado um grafo conexo, ele possui um ciclo que passa por cada
aresta exatamente uma vez?
Dado um grafo conexo, qual é o menor ciclo que passa por cada
aresta pelo menos uma vez?
Podemos pensar em problemas de decisão ou de otimização. Os
problemas de decisão envolvem a caracterização dos grafos que
atendem a certos requisitos.
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38 / 61
Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
O problema do ciclo hamiltoniano
William Rowan Hamilton (1805 - 1865)
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39 / 61
Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Around the world
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Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Ciclos hamiltonianos
Dodecaedro regular (12 faces, 20 vértices e 30 arestas)
É possı́vel viajar pelo mundo, passando por cada cidade exatamente
uma vez, e retornar à cidade de origem?
O dodecaedro possui um ciclo hamiltoniano?
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41 / 61
Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Ciclos hamiltonianos
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42 / 61
Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Aplicações
O Problema do Caixeiro Viajante (Karl Menger, 1932)
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43 / 61
Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Decisão versus Otimização
Também aqui há dois enfoques possı́veis:
Dado um grafo conexo, ele possui um ciclo que passa
por cada vértice exatamente uma vez?
Dado um grafo conexo, qual é o menor ciclo que
passa por cada vértice exatamente uma vez?
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Percursos em grafos
Ciclos hamiltonianos
Alguns resultados
Teorema (Dirac, 1952) :
Seja G = G (V , E ) um grafo com n vértices (n ≥ 3). Se grau(v ) ≥ n/2,
para todo v ∈ V então G é hamiltoniano.
Teorema (Ore, 1960) :
Seja G = G (V , E ) um grafo com n vértices (n ≥ 3). Se, para todo par v ,
w de vértices não adjacentes, grau(v ) + grau(w ) ≥ n, então G é
hamiltoniano.
Teorema (Nash-Williams, 1969) :
Todo grafo k-regular com 2k + 1 vértices é hamiltoniano.
Teorema (Haggkvist e Micoghossian, 1981) :
Um grafo G com k(G ) ≥ 2 e com δ(G ) ≥ (n + k(G ))/3 é hamiltoniano.
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Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Será que:
Se um grafo G possui um ciclo euleriano, então G
possui um ciclo hamiltoniano?
Se um grafo G possui um ciclo hamiltoniano, então G
possui um ciclo euleriano?
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46 / 61
Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Grafos eulerianos versus Grafos
hamiltonianos, para n = 6
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47 / 61
Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Resumindo: Ciclos eulerianos
Leonhard Euler (1707 − 1783)
Ciclo que passa por cada aresta do grafo exatamente uma vez
Problema do Carteiro Chinês (Kwan Mei-Ko, 1962)
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Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Resumindo: Ciclos eulerianos
Leonhard Euler (1707 − 1783)
Ciclo que passa por cada aresta do grafo exatamente uma vez
Problema do Carteiro Chinês (Kwan Mei-Ko, 1962)
Teorema (Euler, 1736):
Um grafo conexo é euleriano se, e somente se, todos os seus vértices
tem grau par.
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48 / 61
Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Resumindo: Ciclos hamiltonianos
William Rowan Hamilton (1805 − 1865)
Ciclo que passa exatamente uma vez por cada vértice do grafo
Problema do Caixeiro Viajante (Karl Menger, 1932)
Ainda não existe condição necessária e suficiente para solucionar o
problema
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Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Aplicações, do ponto de vista de redes
Monitoramento de uma rede em malha com um nó central.
Pode-se desejar enviar um sinal a partir deste nó, que deverá passar
por todos os cabos/nós da rede exatamente uma vez e retornar ao
ponto inicial.
Sincronização, estimação de tempo de atraso, informação sobre
estado, alarmes, etc.
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Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Observações adicionais
Modelagem dos pontos de interesse em nós ou arestas
Os pontos de atendimento de um serviço podem ser
modelados por vértices ou arestas, dependendo do
custo do serviço.
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51 / 61
Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Observações adicionais
Modelagem dos pontos de interesse em nós ou arestas
Os pontos de atendimento de um serviço podem ser
modelados por vértices ou arestas, dependendo do
custo do serviço.
Problemas de percursos abrangentes
Há diversas variações destes problemas para percursos
abrangentes, que são percursos abertos ou fechados,
com ou sem repetição de elementos, que utilizam
todas as arestas ou todos os vértices de um grafo.
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Percursos em grafos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Observações adicionais
Modelagem dos pontos de interesse em nós ou arestas
Os pontos de atendimento de um serviço podem ser
modelados por vértices ou arestas, dependendo do
custo do serviço.
Problemas de percursos abrangentes
Há diversas variações destes problemas para percursos
abrangentes, que são percursos abertos ou fechados,
com ou sem repetição de elementos, que utilizam
todas as arestas ou todos os vértices de um grafo.
Problemas de roteamento
Na literatura de grafos e otimização combinatória,
todos estes problemas são classificados como
problemas de roteamento.
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Exemplo: Redes de Telecomunicações
Sumário
1
2
3
4
5
6
Introdução
Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Próximo capı́tulo . . .
Referências
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52 / 61
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Grafos como Redes de Telecomunicações
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Exemplo: Redes de Telecomunicações
Backbone da RNP (Rede Nacional de Ensino e Pesquisa)
Marcia Paiva (LabTel - UFES)
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Exemplo: Redes de Telecomunicações
Backbone da RNP
G : RNP
n = 17 nós
m = 21 enlaces
δ(G ) = 1
∆(G ) = 4
diam(G ) = 7
G é conexo?
G é 2-conexo?
G é euleriano?
G é hamiltoniano?
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Próximo capı́tulo . . .
Sumário
1
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3
4
5
6
Introdução
Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
Exemplo: Redes de Telecomunicações
Próximo capı́tulo . . .
Referências
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Próximo capı́tulo . . .
Backbone da RNP
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Próximo capı́tulo . . .
Olhando mais de perto . . .
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Backbones versus Redes Complexas
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Referências
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Definições e resultados
Percursos em grafos
Ciclos eulerianos
Ciclos hamiltonianos
Grafos eulerianos versus Grafos hamiltonianos
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Referências
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Referências
Principais referências:
Graph theory
Frank Harary
Addison-Wesley, 1969.
Introductory Graph Theory
Gary Chartrand
Dover Publications, 1984.
The Theory of Graphs
Claude Berge
Dover Publications, 2001.
Grafos: teoria, modelos, algoritmos
Paulo Oswaldo Boaventura Netto
Edgard Blücher, 2006.
Algoritmos
S. Dasgupta, C. H. Papadimitriou, U. Vaziranic
2009.
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Breve Introdução a Grafos e Redes Complexas