Grafos e matrizes: contando passeios
Veja como as potências da matriz de adjacência contam passeios entre vértices, e como os autovalores revelam a estrutura do grafo.
Veja como as potências da matriz de adjacência contam passeios entre vértices, e como os autovalores revelam a estrutura do grafo.
A matriz de adjacência A de um grafo tem um 1 na posição (u, v) quando existe aresta de u para v, e 0 caso contrário. Essa matriz é um jeito de guardar o grafo, mas ela também faz contas com significado.
Um passeio de comprimento k é uma sequência de k arestas em que cada uma começa onde a anterior terminou; ao contrário de um caminho, pode repetir vértices. A entrada (u, v) de A^k é o número de passeios de comprimento k de u até v.
A razão está na multiplicação de matrizes: (A²)(u, v) soma, sobre todos os intermediários w, os produtos A(u, w)·A(w, v), ou seja, conta os passeios u → w → v. Em geral, (A^k)(u, v) conta passeios com k passos.
Na aula, a tabela de A^k mostra essas contagens. O traço de A^k (soma da diagonal) conta os passeios fechados de comprimento k.
Para um grafo não dirigido, a matriz A é simétrica e tem n autovalores reais. Eles resumem a estrutura do grafo:
No grafo completo K_n, os autovalores são n − 1 e −1 (repetido n − 1 vezes). No grafo de Petersen, são 3, 1 (cinco vezes) e −2 (quatro vezes).
Na matriz de adjacência, um laço soma 1 na diagonal, e assim conta uma vez quando o passeio o percorre. Por isso o grau de um vértice (que conta o laço duas vezes) pode ser diferente da soma da linha correspondente da matriz. A aula não usa laços, mas o editor do grafo deixa criá-los para explorar essa diferença.
No grafo completo com 4 vértices, quantos passeios de tamanho 3 existem de A até B?
Calcule A³ e leia a entrada (A, B). Confira o resultado com a soma sobre os passeios intermediários.
Qual é o traço de A²? Por que ele é igual ao dobro do número de arestas?
A diagonal de A² conta passeios de ida e volta, e cada aresta é percorrida nos dois sentidos.
Os autovalores de um grafo completo K_n são n - 1 e -1 repetido. Confirme para K4 e depois para o grafo de Petersen.
Escolha o predefinido de Petersen: os autovalores são 3, 1 (cinco vezes) e -2 (quatro vezes).
Nenhuma aula usa esta como pré-requisito ainda.
Cada conceito leva à lista de aulas que o usam, por disciplina.
Trilha de estudo: Grafos · Mapa de conceitos