Граф можно представить в виде списочной структуры, состоящей из списков двух типов списка вершин и списков ребер. Элемент списка вершин содержит поле данных и два указателя. Один указатель связывает данный элемент с элементом другой вершины. Другой указатель связывает элемент списка вершин со списком ребер, связанных с данной вершиной. Для ориентированного графа используют список дуг, исходящих из вершины. Элемент списка дуг состоит только из двух указателей. Первый указатель используется для того, чтобы показать в какую вершину дуга входит, а второй для связи элементов в списке дуг вершины.
Рис. 4.22. Представление графа в виде списочной структуры
Очень распространенным является матричный способ представления графов. Для представления ненаправленных графов обычно используют матрицы смежности, а для ориентированных графов матрицы инцидентности. Обе матрицы имеют размерность n*n, где n-число вершин в графе. Вершины графа последовательно нумеруются.
Матрица смежности имеет значение ноль в позиции m (i,j), если не существует ребра, связывающего вершину i с вершиной j, или имеет единичное значение в позиции m (i,j), если такое ребро существует.
Правила построения матрицы инцидентности аналогичны правилам построения матрицы инцидентности. Разница состоит в том, что единица в позиции m (i,j) означает выход дуги из вершины i и вход дуги в вершину j.
Рис.4.23. Матричное представление графа
Поскольку матрица смежности симметрична относительно главной диагонали, то можно хранить и обрабатывать только часть матрицы. Можно заметить, что для хранения одного элемента матрицы достаточно выделить всего один бит.
В некоторых матричных алгоритмах обработки графов используются так называемые матрицы путей. Определим понятие пути в ориентированном графе. Под путем длиной k из вершины i в вершину j мы будем понимать возможность попасть из вершины i в вершину j за k переходов, каждому из которых соответствует одна дуга. Одна матрица путей m k содержит сведения о наличии всех путей одной длины k в графе. Единичное значение в позиции (i,j) означает наличие пути длины k из вершины i в вершину j.
Рис.4.24. Матрицы путей
Матрица m1 полностью совпадает с матрицей инцидентности. По матрице m 1 можно построить m 2 . По матрице m 2 можно построить m 3 и т. д. Если граф является ациклическим, то число мариц путей ограничено. В противном случае матрицы будут повторяться до бесконечности с некоторым периодом, связанным с длиной циклов. Матрицы путей не имеет смысла вычислять до бесконечности. Достаточно остановиться в случае повторения матриц.
Если выполнить логическое сложение всех матриц путей, то получится транзитивное замыкание графа.
M tr = m 1 OR m 2 OR m 3 ┘
В результате матрица будет содержать все возможные пути в графе.
Рис. 4.25. Транзитивное замыкание в графе
Наличие циклов в графе можно определить с помощью эффективного алгоритма. Алгоритм может быть реализован как для матричного, так и для спискового способа представления графа.
Принцип выделения циклов следующий. Если вершина имеет только входные или только выходные дуги, то она явно не входит ни в один цикл. Можно удалить все такие вершины из графа вместе со связанными с ними дугами. В результате появятся новые вершины, имеющие только входные или выходные дуги. Они также удаляются. Итерации повторяются до тех пор, пока граф не перестанет изменяться. Отсутствие изменений свидетельствует об отсутствии циклов, если все вершины были удалены. Все оставшиеся вершины обязательно принадлежат циклам.
Сформулируем алгоритм в матричном виде
1. Для iот 1 до n выполнить шаги 1-2
2. Если строка M(i ,*) = 0, то обнулить столбец i
3. Если столбец M(*, i) = 0, то обнулить строку i
4. Если матрица изменилась, то выполнить шаг 1
5. Если матрица нулевая, то стоп, граф ациклический, иначе матрица содержит вершины, входящие в циклы
Рис. 4.26. Поиск циклов в графе
Достоинством данного алгоритма является то, что происходит одновременное определение цикличности или ацикличности графа и формирование списка вершин, входящих в циклы. В матричной реализации после завершения алгоритма остается матрица инцидентности, соответствующая подграфу, содержащему все циклы исходного графа.
