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ग्राफ़ सिद्धांत: बिंदु, रेखाएँ और नेटवर्क

ग्राफ़ शीर्षों (बिंदुओं) का समूह है जिन्हें किनारे (रेखाएँ) जोड़ते हैं। किसी शीर्ष की घात उसे छूने वाले किनारों की संख्या है, और सभी घातों का योग किनारों का दुगुना होता है। ऑयलर पथ हर किनारे का एक बार उपयोग करता है और तभी संभव है जब 0 या 2 शीर्ष विषम घात के हों। वृक्ष ऐसा जुड़ा ग्राफ़ है जिसमें चक्र नहीं और n − 1 किनारे हैं। भारित ग्राफ़ सड़कें और नेटवर्क दिखाते हैं; क्रुस्कल और प्रिम विधियाँ न्यूनतम विस्तृत वृक्ष ढूँढती हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. ग्राफ़ यानी बिंदु (शीर्ष) और उन्हें जोड़ती रेखाएँ (किनारे)। यहाँ 5 नगर और 6 सड़कें हैं।
  2. हर शीर्ष पर किनारे गिनिए: यही उसकी घात है। सभी घातों का योग किनारों का दुगुना है।
  3. ऑयलर पथ हर किनारे का ठीक एक बार उपयोग करता है। इसके लिए 0 या 2 विषम शीर्ष चाहिए; A से C तक हरा पथ देखिए।
  4. वृक्ष बिना किसी चक्र के सारे शीर्ष जोड़ता है। 5 शीर्षों के लिए बस 4 किनारे।
  5. हर किनारे की लागत लिखिए। क्रुस्कल सबसे सस्ते, चक्र न बनाने वाले किनारे चुनता है: न्यूनतम विस्तृत वृक्ष।
  6. खुद खेलिए: किनारे चालू-बंद कीजिए और घात व ऑयलर नियम बदलते देखिए।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

क्या किनारों की लंबाई या मोड़ मायने रखता है?

नहीं। साधारण ग्राफ़ में केवल यह मायने रखता है कि कौन किससे जुड़ा है। लंबाई केवल भारित ग्राफ़ में, किनारे पर संख्या लिखकर।

कुल घात किनारों की दुगुनी क्यों?

हर किनारे के दो सिरे हैं और हर सिरा किसी शीर्ष की घात में 1 जोड़ता है, यानी हर किनारा ठीक 2।

ऑयलर पथ के लिए 0 या 2 विषम शीर्ष क्यों?

पथ जब किसी शीर्ष से गुज़रता है तो एक किनारा अंदर, एक बाहर, यानी जोड़ा। केवल शुरुआत और अंत पर एक किनारा बच सकता है, इसलिए केवल वे विषम हो सकते हैं।

n शीर्षों के वृक्ष में n − 1 किनारे क्यों?

एक शीर्ष से शुरू कीजिए। हर नया किनारा बिना चक्र के ठीक एक नया शीर्ष लाता है। n − 1 नए शीर्षों के लिए n − 1 किनारे।

क्रुस्कल चक्र बनाने वाला किनारा क्यों छोड़ता है?

उसके दोनों सिरे पहले से जुड़े हैं, वह लागत बढ़ाता है पर कोई नया शीर्ष नहीं जोड़ता।

किनारे बंद करते-करते ग्राफ़ टूट जाए तो?

तब वह संबद्ध नहीं रहता और दोनों टुकड़ों पर एक ऑयलर पथ नहीं बन सकता, भले घात नियम ठीक दिखे। खुद खेलकर देखिए।

ज़रूरी शब्द

ग्राफ़ G में शीर्षों (नोड) का समूह और किनारों (दो शीर्ष जोड़ने वाली रेखाएँ) का समूह होता है। केवल जुड़ाव मायने रखता है, चित्र कैसे बना है यह नहीं।

घात और हाथ मिलाने का नियम

शीर्ष v की घात deg(v) उस पर मिलने वाले किनारों के सिरों की संख्या है (लूप 2 गिना जाता है)।

हाथ मिलाने का नियम (Handshake lemma): सभी घातों का योग = 2 × किनारों की संख्या। हर किनारे के दो सिरे हैं, इसलिए वह योग में 2 जोड़ता है।

इसलिए कुल घात हमेशा सम है, और विषम घात वाले शीर्षों की संख्या हमेशा सम होती है।

उदाहरण: 6 लोगों की पार्टी में हर कोई हर किसी से हाथ मिलाए तो हर एक की घात 5। योग = 30, यानी 15 हाथ मिलाना।

पथ, चक्र, ऑयलर और हैमिल्टन

भ्रमण (walk) किनारों पर चलना है। ट्रेल में कोई किनारा दोहराया नहीं जाता। पथ में कोई शीर्ष नहीं दोहराया जाता। चक्र वह पथ है जो शुरुआत पर लौटे। ग्राफ़ संबद्ध है अगर किसी भी शीर्ष से किसी भी शीर्ष तक जा सकें।

ऑयलर (1736) ने कोनिग्सबर्ग के 7 पुलों की पहेली हल की। संबद्ध ग्राफ़ में:

हैमिल्टन चक्र हर शीर्ष पर एक बार जाकर लौटता है। इसकी कोई आसान जाँच नहीं; खोजना पड़ता है।

यादृच्छिक भ्रमण में हर चरण पर किसी पड़ोसी पर संयोग से जाते हैं। इसका लंबा व्यवहार आव्यूहों (मार्कोव शृंखला) से समझा जाता है; शुरुआती वेब सर्च ने पेज इसी तरह क्रमित किए।

विशेष ग्राफ़, वृक्ष, समतलीयता और विस्तृत वृक्ष

तुल्याकारी (isomorphic) ग्राफ़ एक ही ग्राफ़ हैं, बस अलग ढंग से बने। जल्दी जाँच: शीर्ष, किनारे और घातों की सूची समान हो।

समतलीय ग्राफ़ बिना किनारे काटे बन सकता है। संबद्ध समतलीय ग्राफ़ के लिए ऑयलर सूत्र: V − E + F = 2 (F में बाहर का क्षेत्र भी)। K₅ और K₃,₃ समतलीय नहीं।

विस्तृत वृक्ष सभी शीर्ष बिना चक्र के जोड़ता है। न्यूनतम विस्तृत वृक्ष का कुल भार सबसे कम। क्रुस्कल: किनारे भार के क्रम में, सबसे सस्ता जो चक्र न बनाए। प्रिम: एक शीर्ष से बढ़ते हुए नए शीर्ष तक सबसे सस्ता किनारा। डाइकस्ट्रा एक शीर्ष से सबसे छोटे पथ ढूँढता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक ग्राफ़ की घातें 3, 3, 2, 2, 2 हैं। कितने किनारे?

योग = 12। किनारे = 12 ÷ 2 = 6।

2. K₇ में कितने किनारे हैं?

7 × 6 ÷ 2 = 21।

3. क्या घातें 3, 3, 3, 2 वाला ग्राफ़ संभव है?

योग = 11, विषम। योग 2E यानी सम होना चाहिए, इसलिए असंभव।

4. संबद्ध ग्राफ़ की घातें A 2, B 4, C 3, D 2, E 3। ऑयलर परिपथ या पथ?

विषम शीर्ष: C और E, ठीक 2। इसलिए C से E तक ऑयलर पथ है, परिपथ नहीं।

5. संबद्ध समतलीय ग्राफ़ में 8 शीर्ष और 12 किनारे हैं। कितने क्षेत्र?

8 − 12 + F = 2 → F = 6।

6. किनारे: AB 4, BC 3, CD 5, DE 2, EA 6, AC 7, BD 4, BE 8। क्रुस्कल से न्यूनतम विस्तृत वृक्ष ज्ञात कीजिए।

क्रम: DE 2, BC 3, AB 4, BD 4, CD 5 … DE, BC, AB, BD लिए; अब 5 शीर्ष 4 किनारों से जुड़े। CD चक्र बनाता। कुल = 13 km।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. किसी ग्राफ़ की सभी घातों का योग 18 है। किनारे कितने?
2. संबद्ध ग्राफ़ में ऑयलर परिपथ कब होता है?
3. 10 शीर्षों वाले वृक्ष में कितने किनारे?
4. K₅ में कितने किनारे?
5. कौन हर शीर्ष पर ठीक एक बार जाकर शुरुआत पर लौटता है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ग्राफ़ सिद्धांत क्या है, आसान शब्दों में?

यह नेटवर्क का गणित है: बिंदु (शीर्ष) और उन्हें जोड़ती रेखाएँ (किनारे)। यह पढ़ता है कि चीज़ें कैसे जुड़ी हैं, जैसे सड़कें, दोस्त, कंप्यूटर या परमाणु।

ऑयलर पथ और हैमिल्टन पथ में क्या अंतर है?

ऑयलर पथ हर किनारे का ठीक एक बार उपयोग करता है; हैमिल्टन पथ हर शीर्ष पर ठीक एक बार जाता है। ऑयलर की आसान घात जाँच है, हैमिल्टन की नहीं।

घर पर करके देखिए: क्या आप पेन उठाए बिना घर की आकृति बना सकते हैं?

एक वर्ग, उसके अंदर क्रॉस और ऊपर त्रिभुज की छत बनाइए। घातें गिनिए। नीचे के केवल दो कोने विषम हैं, इसलिए एक नीचे के कोने से शुरू करें तो हर रेखा एक बार बनाकर दूसरे कोने पर ख़त्म कर सकते हैं।

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