Bản Chất của TOÁN HỌC

16 911 4
Bản Chất của TOÁN HỌC

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

TỔNG QUAN Ngày nay khi ta dùng thuật ngữ “mạng lưới”, ta chắc chắn là ngh ĩ v ề mạng internet , nhưng ta dùng mạng lưới mỗi khi ta gọi điện thoại, gởi một thư điện tử hoặc thư “rùa b ò”, lái trên qu ốc lộ hay ngồi trên một máy bay. Trong chương này ta làm quen với những ý t ư ởng toán học gọi là mạch, chu trình, và cây, là một phần của môn hình học gọi là lý thuyết đồ thị. Khi được sử dụng trong ngữ cảnh của lý thuyêt đồ thị thì từ đồ thị có ngh ĩa khác so v ới cách ta hiểu đồ thị của hàm số vẽ trong mặt phẳng toạ độ hay đồ thị trong những dữ liệu thống kê. Cho dù những kiến thức này có vẽ trừu tượng, chúng có nhiều ứng dụng thú vị và thiết thực như t ìm chi phí đi du l ịch thấp nhất đến một số địa điểm (gọi là bài toán lộ trình của người đi chào hàng), thiết kế hệ thống tười tiêu, sử dụng cơ chế tìm kiếm trên mạng internet, hoặc tô màu những bản đồ hoặc làm cho những phong cảnh trông rất thật trong phim ảnh. Nhiều ứng dụng của chương này là một phần của một ngành toán học mới (mới theo ngh ĩa là nó b ắt đầu từ cuối thập niên 1930) và phát triển từ những bài toán trong chiến tranh thế giới II. Ngành toán học này, gọi là nghiên cứu chiến dịch, ứng dụng những phương pháp toán học vào việc ra quyết định điều hành, nhất là sự phân phối tài nguyên. Một số ví dụ trong đó phải kể đến dự báo ô nhiểm nguồn nước hay tầm lan truyền của dịch AIDS

8. Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 1 Người dịch Trần Quang Ngh ĩa (www.saosangsong.com.vn) Bản Chất của TOÁN HỌC Bài 8.1. Mạch Euler và chu trình Hamilton 2 www.saosangsong.com.vn 8 Bản chất của mạng lưới Và lý thuyết đồ thị 8.1. Mạch Euler và Chu trình Hamilton Mạch Euler và ứng dụng của mạch Euler, chu trình Hamilton. 8.4. Tóm tắt Những thuật ngữ quan trọng, các dạng bài tập, bài tập ôn, báo cáo sách, dựa án nhóm và cá nhân. 8.2. Cây và Các Cây Tỏa Tối Thiểu Cây, các cây tỏa tối thiểu. 8.3. Tô-pô và Fractal Tô-pô, bài toán bốn-màu, hình học fractal, tessellations. “ Cậu sống ở đâu, Fritz?” Lisel hỏi. “ Mình sống ở 45 Heimelstrabe. Mình đang mong g ặp cậu vào chủ nhật!” Fritz hồ hỡi. “Mình sẽ giới thiệu cậu với gia đ ình mình và m ột số bạn của mình trên đ ảo. Mình có thể dẩn bạn đi dạo và mua cho bạn một nón rơm tại cửa hàng ưa thích của mình.” “Đi dạo?!!” Lisel hét lên. “Bạn BIẾT là mình không làm thế được mà! Người nào c ũng nghĩ là mình có thể băng qua các cây cầu đó mà chỉ một lần, nhưng m ình thì không bao giờ làm được.” “Mình có bí quyết! Mình sẽ chỉ cho cậu nếu cậu đến mình chủ nhật tới,” Fritz vừa nói vừa cười. TỔNG QUAN Ngày nay khi ta dùng thuật ngữ “mạng lưới”, ta chắc chắn là ngh ĩ v ề mạng internet , nhưng ta dùng mạng lưới mỗi khi ta gọi điện thoại, gởi một thư điện tử hoặc thư “rùa b ò”, lái trên qu ốc lộ hay ngồi trên một máy bay. Trong chương này ta làm quen với những ý t ư ởng toán học gọi là mạch, chu trình, và cây, là một phần của môn hình học gọi là lý thuyết đồ thị. Khi được sử dụng trong ngữ cảnh của lý thuyêt đồ thị thì từ đồ thị có ngh ĩa khác so v ới cách ta hiểu đồ thị của hàm số vẽ trong mặt phẳng toạ độ hay đồ thị trong những dữ liệu thống kê. Cho dù những kiến thức này có vẽ trừu tượng, chúng có nhiều ứng dụng thú vị và thiết thực như t ìm chi phí đi du l ịch thấp nhất đến một số địa điểm (gọi là bài toán lộ trình của người đi chào hàng), thiết kế hệ thống tười tiêu, sử dụng cơ chế tìm kiếm trên mạng internet, hoặc tô màu những bản đồ hoặc làm cho những phong cảnh trông rất thật trong phim ảnh. Nhiều ứng dụng của chương này là một phần của một ngành toán học mới (mới theo ngh ĩa là nó b ắt đầu từ cuối thập niên 1930) và phát triển từ những bài toán trong chiến tranh thế giới II. Ngành toán học này, gọi là nghiên cứu chiến dịch, ứng dụng những phương pháp toán học vào việc ra quyết định điều hành, nhất là sự phân phối tài nguyên. Một số ví dụ trong đó phải kể đến dự báo ô nhiểm nguồn nước hay tầm lan truyền của dịch AIDS. HỌA CÓ TRỜI MỚI BIẾT T Ó M T Ắ T 8. Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 3 Giờ chúng ta quay về đến một trong những ngành hình học mới hơn có tên là lý thuyết đồ thị, trong đó có mạch, chu trình, và cây. Mạch Euler Vào thế kỷ 18, trong một thị trấn của Đức có tên Konicgsberg (giờ là thành phố Kalingraf của Nga), một thói quen của cư dân là đi tản bộ dọc theo bờ song Pregel và bước đi qua vài cây cầu trong số bảy chiếc nối hai cù lao giữa song, như trong h ình 8.1. Hình 8.1. Những cây cầu ở Konigsberg Một hôm một người dân hỏi một bạn láng giềng câu hỏi sau,” Làm sao bạn có thể đi một vòng qua tất cả bảy cây cầu mỗi cây cầu qua một lần và chỉ một lần và sau đó trở về đúng nơi đ ã xu ất phát?” Câu đố làm người bạn bối rối và ngay sau đó lan truyền đến mỗi cư dân ở Konigsberg. Rất nhiều người đi thử và họ đều hoặc là không đi hết tất cả cây cầu hoặc là phải đi qua một chiếc cầu nào đó đến hai lần. Bài toán này đến tai nhà toàn học Thụy s ĩ Leonard Euler, lúc ấy đang phục vụ dưới trướng của nữ hoàng Nga Catherine V ĩ Đ ại ở St. Peterburg. Phương pháp giải ta trình bày ở đây lần đầu tiên do Euler phát triển, và từ đó đưa đến sự phát triển của hai chủ đề chủ yếu trong hình học. Chủ đề đầu tiên là mạng lưới, mà ta sẽ trình bày trong bài này, và chủ đề thứ hai là tô-pô, sẽ được khai triển trong bài 8.3. Ta dùng phương pháp giải toán của Polya để giải bài toán 7 cây cầu ở Konigsberg. 8.1 Mạch Euler and Chu trình Hamilton Trong thế giới không có gì ngoài v ũ tr ụ trống rỗng. Hình học uốn cong cách này ở đây sẽ mô tả trọng lực. Gợn sóng theo cách khác nơi khác biểu thị tất cả chất lượng của một trường sóng điện tử. Lại phấn khích với một mặt khác, chất liệu kỳ diệu mà không gian trình diễn dưới dạng các hạt, Không có gì xa lạ hoặc “có tính vật chất” ẩn mình rong không gian. Mọi vật đều là cái tạo ra từ hình học. John A. Wheeler Xem bạn có thể điển gì vào dấu hỏi. THỬ THÁCH CHƯƠNG Bài 8.1. Mạch Euler và chu trình Hamilton 4 www.saosangsong.com.vn Tìm hiểu bài toán. Để hiểu rõ bài toán, Euledr bắt đầu vẽ hình a. Lộ trình qua cầu b. Đặt tên mạng lưới Hình 8.2. Bài toán cầu Konigsberg Sau Sau đó, Euler dùng một trong các phương pháp giải toán quan trọng-cụ thể, thay đổi đổi khái niệm. Đó là, biểu thị các khu đất bằng những điểm (đôi khi gọi là đỉnh hay nút) nút), và biểu thị các cây cầu bằng các cung hoặc đoạn (đôi khi gọi là cạnh) nối các điểm cho trước. Với khái niệm này, ta vẽ được giãn đ ồ trong hình 8.2b. Thiết kế cách giải. Để giải bài toán này, ta cần vẽ hỉnh mà không cần được nhấc viết chì lên khỏi mặt tờ giấy.Những hình t ương t ự như trong H ình 8,2b đư ợc gọi là l mạng lưới hay đồ thị. Trong một mạng lưới, những điểm mà các đoạn nối lại được gọi là đỉnh, và những đường biểu thị các cây cầu được gọi là cạnh hay cung. Mỗi phần của mặt phẳng giới hạn bởi mạng lưới được gọi là miền. Ta nói một đồ thị là liên thông nếu tồn tại ít nhất một lộ trình giữa mỗi cặp đỉnh. Đếm số cạnh, đỉnh, và miền của mạng lưới Một mạng gọi là đi qua được nếu ta có thể vẽ nó bằng một nét bút mà không phải nhấc đầu bút lên khỏi mặt giấy và không được vẽ một cạnh nhiều hơn một lần. Các đỉnh có thể đi qua nhiều lần. Bậc của một đỉnh là số cạnh xuất phát từ đỉnh ấy. Hoàn tất bảng dưới cho mỗi mạng lưới đ ã cho Giải Đồ thị Cạnh (E) Đỉnh (V) Miền (R) V + R – 2 a. 3 3 2 3 b. 4 3 3 4 c. 5 3 4 5 d. 4 4 2 4 e. 5 4 3 5 f. 6 4 4 6 Nhận xét rằng ta luôn có V + R – 2 = E. Bạn có ngh ĩ l à đi ều này luôn đúng với mọi mạng hay không? Nữ hoàng Catherine II của Nga mời Leonhard Euier làm thành viên của Học Viện Khoa Học ở St.Peterburg. Vì Euler là nhà khoa học được ngưỡng mộ và trọng vọng nhất ở Nga, nên trong ngày khai mạc, ông được mời ngồi vào chiếc ghế vinh dự đặc biệt . Tuy nhiên, Ví dụ 1 8. Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 5 Kiểm tra tính đi qua được Trước tiên, nhận xét rằng tổng các bậc của các đỉnh trong Ví dụ 2 gấp hai lần số cạnh. Bạ n có thấy tại sao điều này luôn đúng? H ãy xét b ất kỳ đồ thị nào. Mỗi cạnh phải được nối ở hai đầu, vì thế tổng của tất cả đầu này phải bằng hai lần số đỉnh. Giờ , quan sát lần thứ hai đến tính đi qua được. Giả sử bạn giải Ví dụ 2 bằng ca1h thức sự vẽ ra các mạng lưới. Tuy nhiên, một mạng lưới phức tạp hơn như bài toán cầu Konigsberg, phải cần một số phân tích. Mục tiêu là hãy bắt đầu từ một đỉnh nào đó, đi qua mỗi cạnh đúngmot lần, rồi quay về điểm xuất phát. Một lộ trình nh ư th ế gọi là mạch Euler. Giờ ta có thể phát biểu bài toán cầu Konigsgerg thành: “Mạng lưới trong hình 8.2 có một mạch Euler nào không?” Để trả lời câu hỏi này, ta sẽ đi theo chỉ dẫn của Euler và phân loại đỉnh. Đỉnh A trong Hình 8.2 có bậc 3, cho nên đỉnh A được gọi là đỉnh lẻ. Tương tự, đỉnh D là một đỉnh lẻ khác, có bậc bằng 5. Một đỉnh có bậc chẵn được gọi là đỉnh chẵn. Euler khám phá ra rằng chỉ một số nào đó các đỉnh lẻ có thể hiện diện trong mạng lưới, nếu bạn muốn đi khắp mạng bằng một nét vẽ duy nhất và không đi lại trên bất kỳ cạnh nào. Bạn có thể bắt đầu từ bất kỳ đỉnh nào và kết thúc tại một đỉnh khác sau khji đ ã đi kh ắp mạng lưới. Hãy khảo sát mạng lưới cẩn thận hơn và t ìm ra m ột mô thức, như trong Bảng 8.1. Số cung Mô tả Khả năng 1 1 đi (điểm xuất phát) 1 đến (điểm kết thúc) 2 1 đến (đến rồi đi) và 1 đi (đi rồi đến) 3 1 đến, 2 đi 2 đến, 1 đi 4 2 đến, 2 đi 5 2 đến, 3 đi (điểm xuất phát) 3 đến, 2 đi (điểm kết thúc) Liệt kê số cạnh và bậc của mỗi đỉnh trong mỗi đồ thị của Ví dụ 1. Tìm tổng các bậc của đỉnh , và cho biết đồ thị nào đi qua được Giải Đồ thị Số cạnh Bậc của mổi đỉnh Tổng Đi qua được a. 3 2; 2; 2 6 có b. 4 3; 2; 3 8 có c. 5 4; 3; 3 10 có d. 4 2; 2; 2; 2 8 có e. 5 2; 3; 2; 3 10 có f. 6 3; 3; 3; 3 12 không Ví dụ 2 Bảng 8.1. Đến và Đi của một Đỉnh trong Mạng lưới Bài 8.1. Mạch Euler và chu trình Hamilton 6 www.saosangsong.com.vn Ta thấy rằng, nếu đỉnh lẻ, thì nó phải là điểm xuất phát hay một điểm kết thúc. Có bao nhiêu số điểm xuất phát và điểm kết thúc trong bất kỳ mạng nào? [Trả lời. Hai-một điểm xuất phát và một điểm kết thúc.] Lý luận này cho phép ta đến đây có thể công thức hóa bước giải mà ta gọi là thiết kế cách giải, được phát biểu mà không chứng minh như dưới đây. Thực hiện bài giải. Phân loại các đỉnh, có bốn đỉnh lẻ, vì thế mạng lưới không đi qua được. Xem lại. Ta đ ã gi ải bài toán cầu Konigsberg, nhưng bạn lưu ý là nói bài toán không giải được không có ngh ĩa l à nói “tôi không gi ải được bài toán.” Ta có thể giải được bài toán, và lời giải là xác đáng. Ta tóm tắt phần khảo sát này. Tìm một mạch Euler Mạng lưới nào dưới đây có mạch Euler? Trả lời bằng cách phân tích số đỉnh lẻ. Giải a. Có bốn đỉnh chẵn (B, C, D và E) và hai đỉnh lẻ (A và F), và mạng lưới này đi qua được. Để qua nó, ta phải xuất phát từ A hay F(là điểm lẻ). Lộ trình cho bởi hình sau Đếm số đỉnh lẻ Nếu không có đỉnh lẻ, mạng lưới có thể đi qua được và bất kỳ điểm nào c ũng có th ể là điểm xuất phát. Điểm đó c ũng l à đi ểm kết thúc. Nếu có một đỉnh lẻ, mạng lưới không đi qua được. Một mạng lưới không thể chỉ có một điểm xuất phát hay một điểm kết thúc mà không có điểm kia. Nếu có hai đỉnh lẻ, mạng lưới đi qua được; một đỉnh lẻ phải là điểm xuất phát và đỉnh lẻ kia là điểm kết thúc. Nếu có nhiều hơn hai điểm lẻ, mạng lưới không đi qua được. Một mạng lưới không thể có nhiều hơn một điểm xuất phát và một điểm kết thúc. Định Lý Mạch Euler Mỗi đỉnh trên đồ thị có mạch Euler cò một bậc chẵn, và đảo lại, nếu trong một đồ thị liên thông mỗi đỉnh có một bậc chẵn, thì đ ồ thị có một mạch Euler. Đây là ý tư ởng chủ đạo của bài này Ví dụ 3 8. Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 7 Ứng dụng của Mạch Euler Mạch Euler có ứng dụng rộng rãi. Ta sẽ đề cập qua một ít. Bài toán siêu thị Sắp đặt các kệ đựng hàng trong một siêu thị sao cho có thể đi vào siêu thị qua một cửa và dạo khắp các kệ hàng đúng một lần (một lần và chỉ một lần) và rời siêu thị c ũng b ằng lối cửa ấy. Bài toán cảnh sát tuần tra Giả sử một xe cảnh sát cần đi tuần tra một khu vực có cửa, và muốn đi vào qua cửa và tuần tra mọi đường phố đúng một lần, và sau đó ra khỏi c ũng b ằng lối cửa đó. Bài toán thiết kế sàn Gỉả sử bạn có một bản thiết kế sàn của một tòa nhà với đội bảo vệ cần phải đi tuần khắp tòa nhà và khóa cửa các gian phòng sau một ngày làm việc. Bài toán đường ống. Giả sử bạnbản thiết kế đường ống, và bạn muốn thanh tra đường ống. Bạn có thể nào lướt bàn tay qua mỗi đường ống đúng một lần mà không cần nhấc bàn tay lên hay không? Ta sẽ nghiên cứu một trong những ứng dụng này và để những ứng dụng khác vào phần bài tập. Hãy nhìn vào bài toán thiết kế sàn. Bài toán này, có liên hệ với bài toán cầu Konigsberg, yêu cầu ta đi một vòng qua tất cả các phòng và qua mỗi cửa đúng một lần. Tuy nhiên, có sự khác biệt quan trọng giữa hai bài toán này. Bài toán cầu Konigsberg yêu cầu một mạch Euler, nhưng bài toán thiết kế sàn không yêu cầu như thế. Nói cách khác, đối với các cây cầu ta phải kết thúc tại nơi xuất phát, nhưng bài toán thiết kế sàn chỉ cần đi qua được. hãy vẽ bài toán thiết kế sàn như trong H ình 8.3a. a. Sáu phòng, 7 cửa b. Sáu phòng, 16 cửa Hình 8.3. Bài toán thiết kế phòng Hãy đ ặt tên các phòng là A, B, C, D, E và F. Trong Hình 8.3a, các phòng A, C, E và F có hai cửa, và phòng B và D có ba cửa; trong Hình 8.3b, hình nh ư là có năm phòng, nhưng vì có những cửa dẫn ra “bên ngoài”, ta phải kể phần bên ngoài là một phòng. Vì thế hình này c ũng có sáu phòng, đ ặt tên là A, B, C, D, E và F. các phòng A, B, và C mỗi phòng có 5 cửa, các phòng D và E mỗi phòng có 4 cửa, còn phòng F có 9 cửa. Hãy ức đoán cách giải cho bài toán thiết kế sàn. Nếu không có phòng nào có số cửa lẻ, thì tòa nhà có thể đi qua được. Nếu có hai phòng có số cửa lẻ, thì tòa nhà có thể đi qua được. Xuất phát từ trong một phòng, và kết thúc trong một phòng khác. Chú ý là ta không kết thúc tại điểm xuất phát, vì thế mạng lưới này không có mạch Euler (mặc dù có thể đi qua được). b. Mạng lưới này có một đỉnh chẵn và bốn đỉnh lẻ, vì thế nó không thể đi qua được và không có mạch Euler. Bài 8.1. Mạch Euler và chu trình Hamilton 8 www.saosangsong.com.vn Câu đố thiết kế sàn Chu Trình Hamilton Một ứng dụng không thể giải được bằng cách dùng những mạch Euler là bài toán của người chào hàng: Một người chào hàng xuất phát từ nhà và muốn đi đến vài thành phố để chào hàng mà không muốn đi qua thành phố nào quá một lần, và sau đó trở lại thành phố xuất phát. Bài toán quá nổi tiếng đến nổi có nhiều người tìm ra cách giải. Người chào hàng muốn làm việc này theo cách tiết kiệm nhất (ngh ĩa là, qu ảng đường đi nhắn nhất, mất ít thời gian nhất, chi phí thấp nhất. . . ). Để trả lời câu hỏi này, ta đảo ngược vai trò của đỉnh và cạnh của mạch Euler. Giờ, ta tự hỏi liệu ta có thể đến mỗi đỉnh chỉ đúng một lần và kết thúc tại đỉnh đ ã xu ất phát. Những lộ trình nh ư th ế được gọi là chu trình Hamilton. Giải bài toán thiết kế sàn Giải Ta dùng phương pháp giải toán Polya để giải bài toán này. Tìm hiểu bài toán. Bài toán thiết kế yêu cầu, “Ta có thể đi vào mỗi phòng và qua mỗi khung cửa đúng một lần? Thiết kế cách giải. Phân loại mỗi phỏng là chẵn hay lẻ, tùy theo số cửa có trong phòng đó. Bài toán sẽ giải được nếu không có phòng nào có số cửa lẻ, hay có đúng hai phòng có số cửa lẻ. Thực hiện bài giải. a. Có sáu phòng, và các phòng B và D là lẻ, vì thế sàn này có thể đi qua được. Lời giải yêu cầu ta bắt đầu từ trong phòng B hay phòng D, và kết thúc ở phòng còn lại. b. Có sáu phòng.và các phòng A, B, C, và F là lẻ (với D và E chẵn).Vì có nhiều hơn hai phòng lẻ, nên sàn này không thể đi qua được. Nếu một trong những cánh cửa nối hai trong số phòng lẻ Xem lại. Ta có thể kiểm tra công việc của mình bằng cách thực sự vẽ ra những lộ trình hợp lý, nh ư trong ph ần b ở trên. Rào chắn Ví dụ 4 8. Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 9 Tìm chu trình Hamilton Nhận diện những chu trình ≜ Hình nh ư bài toán xác đ ịnh xem một mạng lưới có chu trình Hamilton hay không c ũng có chưa có lời giải nào được biết đến, và đây là một trong những bài toán lớn chưa giải được. Nếu bạn quan tâm đến những nỗ lực khác nhau nhằm đột phá để tìm ra lời giải cho bài toán, bạn có thể vào trang web được cho ở lề giấy. Tìm đư ờng đi ngắn nhất Dùng Hình 8.5 đ ể xác định nếu chu trình đã cho có ph ải là chu trình Hamilton hay không. Nếu không, giải thích tại sao. Hình 8.5. Mạng lưới có 6 đỉnh a. A -> B -> C -> D -> A b. C -> D -> A -> B -> F -> E -> A b. D -> C -> B -> A -> E -> F d. B -> C -> D -> A -> E -> F -> B GIẢI a. Đây không phải là chu trình Hamilton vì nó không đ ến mỗi đỉnh, mà lại lặp lại cùng đỉnh, lộ trình này th ư ờng được gọi là vòng lặp. b. Đây không phải là chu trình Hamilton vì nó không trở lại điểm xuất phát. c. Đây không phải là chu trình Hamilton vì nó không trở lại điểm xuất phát. d. Đây mới là chu trình Hamilton. Giải Ta có thói quen biểu thị tập hợp phổ quát bằng một hình chữ nhật (tên U) và tập hợp những lá cơ (tên H) bằng một đường tròn, nh ư hình dư ới. Chú ý là H = Hình 2.1 Trong giãn đ ồ Venn, tập hợp đang xét quá lớn thành ra không thể liệt kê tất cả phần tử trong H hay U, nhưng ta có thể nói rằng 2 cơ thuộc H trong khi 2 rô không thuộc H. Ta viết Tìm chu trình Hamilton cho mạng lưới trong Hình 8.4. Hình 8.4. GIẢI Chú ý mạng lưới này là mạng lưới đ ã cho trong Ví d ụ 1f. Ta đ ã tìm trong Ví d ụ 2f là mạng lưới này không có mạch Euler. Trái lại, ta dễ dàng tìm một chu trình Hamilton: A -> C -> B -> D -> A Ví dụ 5 Ví dụ 6 5 Xem www.mathmature để vào các links giiải bài toán này Một người chào hàng muốn thăm bốn thành phố ở California là San Francisco, Sacramento, San Jose, và Fresno. Những khoảng cách giữa các thành phố được cho trong Hình 8.6. Tìm đư ờng đi ngắn nhất xuất phát và kết thúc ở San Francisco và đi đến tất cả thành phố này. Hình 8.6. Bài toán ng ư ời chào hàng Ví dụ 7 5 Bài 8.1. Mạch Euler và chu trình Hamilton 10 www.saosangsong.com.vn 6 Ta tóm tắt phương pháp sắp xếp cạnh để tỉm ra lời giải xấp xỉ cho một bài toàn người chào hàng như sau. GIẢI Vì đi ều tốt nhất ta có thể làm là đưa ra một vài phương pháp bắt tay vào việc giải, ta sẽ dùng ví dụ này để giúp bạn củng cố kỹ năng giải toán. Ta dùng chỉ dẫn giải toán của Polya cho ví dụ này. Tìm hiểu bài toán. Một phần trong việc tìm hiểu bài toán là xem khi nói cách giải “tốt nhất”., ý ta muốn nói gì. Đ ối với bài toán này, ta hãy cho rằng đó là đường đi ngắn nhất. Ta c ũng nhận xét rằng, tính theo dặm, mỗi tuyền đường và chiều ngược lại là tương đương. Đó là SF -> San Jose -> Fresno -> Sacramento -> SF c ũng là gi ống nhứ SF -> Sacramento -> Fresno -> San Jose -> SF Thiết kế cách giải. Có vài phương pháp tấn công vào bài toán này: ví dụ dùng cách cưỡng chế (liệt kê tất cả tuyến đường khả d ĩ) và láng giềng gần nhất (tại mỗi thị trấn, đi đến người láng giềng gần nhất mà trước đây chưa đi đến). Đôi khi, kế hoạch người láng giềng gần nhất sẽ tạo ra một vòng lặp mà không đi tới một thành phố nào đó, do đó ta sửa chữa bài toán này dùng phương pháp gọi là phương pháp sắp xếp cạnh. Trong phương pháp này, ta chọn ra người láng giềng gần nhất không tạo ra một vòng lặp. Thực hiện bài giải. CƯỠNG BÁCH: 96 173 151 51 SF -> S -> F -> SJ -> SF Tổng cộng: 471 dặm 96 129 151 189 SF -> S -> SJ -> F -> SF Tổng cộng: 565 51 129 173 189 SF -> SJ -> S -> F -> SF Tổng cộng: 542 dặm Đây là những lộ trình ng ư ợc lạ với những lộ trình trên (vì thế ta không cần tính chiều dài). SF -> SJ -> F -> S -> SF SF -> F -> SJ -> S -> SF SF -> F -> S -> SJ -> SF Ta thấy rằng 471 số dặm tối thiểu. NGƯỜI LÁNG GIỀNG GẦN NHẤT: 51 129 96 SF -> SJ -> S -> SF Vòng lặp xuất hiện; Fresno không có mặt trong lộ trình vì nó không bao giờ là người láng giềng gần nhất nếu ta xuất phát từ San Francisco. SẮP XẾP CẠNH: Trong phương pháp này, ta sắp xếp những khoảng cách (cạnh của đồ thị) từ nhỏ nhất đến lớn nhất: 5, 96, 129, 151, 173, và 189. Việc này cho ta lộ trình sau đây (bỏ qua 96 và 151 vì những chọn lựa này sẽ tạo ra vòng lặp): 51 129 173 189 SF -> SJ -> S -> F -> SF Tổng cộng: 542 dặm Xem lại. Với bài toán đơn giản này, ta dễ thấy là lời giải toán bộ tốt nhất là một lộ trình dài 471 dặm, nhưng bạn có thể nhận ran gay, la2dvoi trường hợp có một số lớn thành phố phải đi qua th ì l ời giải có thể không dễ nhận ra chút nào. Phương pháp Sắp Xếp Cạnh Vẽ một đồ thị cho thấy các thành phố và khoảng cách; nhận diện đỉnh xuất phát . Bước 1 Chọn cạnh nối với điểm xuất phát có khoảng cách nhỏ nhất hoặc chi phí ít nhất. Đi theo cạnh này đến đỉnh tiếp theo. Bước 2 Tại đỉnh thứ hai, đi theo cạnh có khoảng cách nhỏi nhất hay chi phí ít nhất. Không chọn đỉnh dẫn đến một đỉnh khác đ ã qua. Bước 3 Tiếp tục cho đến khi mọi đỉnh đ ã đ ến mọi đỉnh và trở lại đỉnh xuất phát. [...]... xét những tuyến đường đảo ngược thì có ( )( )( ) tuyến đường BÀI TẬP 2.1 MỨC 1 1 BẰNG LỜI LẼ CỦA BẠN Mô tả bài toán cầu Konigsberg 2 BẰNG LỜI LẼ CỦA BẠN Mô tả bài toán thiết kế sàn 3 BẰNG LỜI LẼ CỦA BẠN Mô tả bài toán cầu Konigsberg 4 BẰNG LỜI LẼ CỦA BẠN Mô tả bài toán người chào hàng 5 BẰNG LỜI LẼ CỦA BẠN Đối chiếu các mạch Euler và chu trình Hamilton Mạng lưới nào trong các Bài tập 6 – 11 là... mạng lưới của các Bài tập 24-27 mạng lưới nào là mạch Euler? Nều một mạng lưới có thể đi qua được, hãy chỉ bằng cách nào.Chú ý đây cũng là m ạng lưới cho trong Bài tập 28-31 www.saosangsong.com.vn Hình 8.7 12 8 Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị 33 TRUY VẤN LỊCH SỬ Thập Nhị Diện của Du Khách Bài toán này được lưu truyên vào nửa cuối thế kỷ 19 như một câu đố mang tên “Thập Nhị Diện của Du Khách”... đó, theo nguyên tắc cơ bản của phép đấm, ta có 3 2 1 = 6 tuyến đường Vì phân nửa số lộ trình là đảo ngược của C chỉ có 2 phần tử Dota thực sự có thận Từ ví dụ 6, ta thấy có 4 tập con của C dù tuyến đường kia, nên đó ta phải cẩn = 3 tuyến đường b Theo các bước trong phần a, ta nhận xét rằng từ thành phố xuất phát có n – 1 thành phố có thể đi đến, vì thế (theo nguyên tắc cơ bản của phép đếm) có (n –... trên cát như trong Hình 8.18 49 Tìm tổng các số đo góc của một tứ diện? Gọi ý: Xét tổng các số đo các góc tại các mặt của một khối lập phương Một khối lập phương có 6 mặt, và vì mỗi mặt có bốn góc vuông, tổng các số đo trên mỗi mặt là 360o; suy ra, tổng của các góc ở mặt của một khối lập phương là 6 360o = 2,1600 50 Tìm tổng các số đo của các góc của một lăng trụ ngũ giác (Hình 8.16) Hình 8.16 51 Trên... thực hiện được không? Nếu có, hãy đưa ra một lộ trình như thế 39 Ở Massachusetts người ta xây dựng lại một ngôi làng cổ của thế kỷ 18 có tên làng cổ Sturbridge Một bản đồ của ngôi làng cho bởi Hình 8.13 Có thể nào đi dạo trên các con đường có tô màu không? Hãy dẫn chứng cho trả lời của bạn 13 Bài 8.1 Mạch Euler và chu trình Hamilton a Tìm một lời giải nếu có dùng phương pháp người láng giềng gần nhất... cho mạng lưới Giải Toán 3 47 Người chào hàng ở Bài tập 42 cần thêm Atlanta vào lộ trình của mình Khoảng cách giữa các thành phố được cho trong bảng dưới Đâu là lộ trình ngắn nhất khởi hành từ Newyork và đi thăm mỗi một thành phố trên? Hình 8.14 Tìm một lời giải sử dụng phương pháp cưỡng chế 43 Lặp lại Bài tập 42 dùng phương pháp chỉ ra www.saosangsong.com.vn 48 Một thanh tra kiển tra chất lượng muốn thăm... thăm các đại lý ở Atlanta, Boston, Chicago, Dallas, và Minneapolis Vì thanh tra thực hiện hàng tháng, cho 14 8 Bản chất của mạng lưới và lý thuyết đồ thị nên viên thanh tra, cư ngụ tại Chicago, muốn tìm tuyến đường hiệu quả nhất (tức ngăn nhất) Khoảng cách giữa các thành phổ được cho trong bảng dưới Đâu là tuyến đường hiệu quả nhất? b Có bao nhiêu lộ trình đến phòng 10? c Có bao nhiêu lộ trình đến... Hình 8.10 Thành phố Newyork 37 Một bản đồ đơn giản của thành phố Newyork, cho thấy tuyến xe điện ngầm giữa Manhattan và các khu Bronx, Queens, và Brooklyn, như trong Hình 8.11 Có thể nào sử dụng hệ thống tàu điện ngầm và mỗi tàu điện dùng đúng một lần? Bạn có thể thăm mỗi khu (Manhattan, Bronx, Queens, hay Brooklyn) nhiều lần tùy thích Hình 8.8 Thập nhị diện của du khách của Hamilton 34 TRUY VẤN LỊCH SỬ... Hamilton Trong các mạng lưới của Bài tập 28-31, mạng lưới nào có chứa chu trình Hamilton? Nếu có, hãy mô tả nó Chú ý là mạng lưới này cũng là mạng lưới của Bài tập 24-27 Trong những thiết kề sàn trong Ví dụ 18-23, thiết kế nào cho phép ta đi qua tất cả các phòng trong đó mỗi cửa chỉ qua đúng một lần Nếu có thể được, hãy chứng tỏ thực hiện bằng cách nào 35 Sau khi Euler giải được bài toán cầu Konigsberg, một... Queens, hay Brooklyn) nhiều lần tùy thích Hình 8.8 Thập nhị diện của du khách của Hamilton 34 TRUY VẤN LỊCH SỬ Có tồn tại mạch Euler cho bài toán 33 hay không? Nếu có, hãy chứng tỏ 35 Có tồn tại mạch Euler cho đồ thị của Hình 8.9 không? Hình 8.11 38 Một phần của hệ thống tàu điện ngầm London được cho trong Hình 8.12 Có thể nào đi khắp hệ thống và thăm mỗi ga trong khi mỗi tuyến đường chỉ đi đúng một

Ngày đăng: 27/05/2014, 19:24

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan