путь( A, Z, Граф, Путь) :-
путь1( А, [Z], Граф, Путь).
путь1( А, [А | Путь1, _, [А | Путь1] ).
путь1( А, [Y | Путь1], Граф, Путь) :-
смеж( X, Y, Граф),
принадлежит( X, Путь1), % Условие отсутствия цикла
путь1( А, [ X, Y | Путь1], Граф, Путь).
Рис. 9.20. Поиск в графе Граф ациклического пути Путь из А в Z.
На рис. 9.20 программа показана полностью. Здесь принадлежит — отношение принадлежности элемента списку. Отношение
смеж( X, Y, G)
означает, что в графе G существует дуга, ведущая из X в Y. Определение этого отношения зависит от способа представления графа. Если G представлен как пара множеств (вершин и ребер)
G = граф( Верш, Реб)
то
смеж( X, Y, граф( Верш, Реб) ) :-
принадлежит( p( X, Y), Реб);
принадлежит( p( Y, X), Реб).
Классическая задача на графах — поиск Гамильтонова цикла, т.е. ациклического пути, проходящего через все вершины графа. Используя отношение путь, эту задачу можно решить так:
гамильтон( Граф, Путь) :-
путь( _, _, Граф, Путь),
всевершины( Путь, Граф).
всевершины( Путь, Граф) :-
not (вершина( В, Граф),
not принадлежит( В, Путь) ).
Здесь вершина( В, Граф) означает: В — вершина графа Граф.
Каждому пути можно приписать его стоимость. Стоимость пути равна сумме стоимостей входящих в него дуг. Если дугам не приписаны стоимости, то тогда, вместо стоимости, говорят о длине пути.
Для того, чтобы наши отношения путь и путь1 могли работать со стоимостями, их нужно модифицировать, введя дополнительный аргумент для каждого пути:
путь( А, Z, G, P, С)
путь1( A, P1, C1, G, P, С)
Здесь С — стоимость пути P, a C1 — стоимость пути P1. В отношении смеж также появится дополнительный аргумент, стоимость дуги. На рис. 9.21 показана программа поиска пути, которая строит путь и вычисляет его стоимость.
путь( А, Z, Граф, Путь, Ст) :-
путь1( A, [Z], 0, Граф, Путь, Ст).
путь1( А, [А | Путь1], Ст1, Граф, [А | Путь1], Ст).
путь1( А, [Y | Путь1], Ст1, Граф, Путь, Ст) :-
смеж( X, Y, СтXY, Граф),
not принадлежит( X, Путь1),
Ст2 is Ст1 + СтXY,
путь1( А, [ X, Y | Путь1], Ст2, Граф, Путь, Ст).
Рис. 9.21. Поиск пути в графе: Путь — путь между А и Z в графе Граф стоимостью Ст.
Эту процедуру можно использовать для нахождения пути минимальной стоимости. Мы можем построить путь минимальной стоимости между вершинами Верш1, Верш2 графа Граф, задав цели
путь( Bepш1, Верш2, Граф, МинПуть, МинСт),
not( путь( Верш1, Верш2, Граф, _, Ст), Ст<МинСт )
Аналогично можно среди всех путей между вершинами графа найти путь максимальной стоимости, задав цели
путь( _, _, Граф, МаксПуть, МаксСт),
not( путь( _, _, Граф, _, Ст), Ст > МаксСт)
Заметим, что приведенный способ поиска максимальных и минимальных путей крайне неэффективен, так как он предполагает просмотр всех возможных путей и потому не подходит для больших графов из-за своей высокой временной сложности. В искусственном интеллекте задача поиска пути возникает довольно часто. В главах 11 и 12 мы изучим более сложные методы нахождения оптимальных путей.
9.5.3. Построение остовного дерева
Граф называется
(1) T — связный граф,
(2) в T нет циклов.
Выполнение этих двух условий гарантирует то, что T — дерево. Для графа, изображенного в левой части рис. 9.18, существует три остовных дерева, соответствующих следующим трем спискам ребер:
Дер1 = [а-b, b-c, c-d]
Дер2 = [а-b, b-d, d-с]
Дер3 = [а-b, b-d, b-c]
Здесь каждый терм вида X-Y обозначает ребро, соединяющее вершины X и Y. В качестве корня можно взять любую из вершин, указанных в списке. Остовные деревья представляют интерес, например в задачах проектирования сетей связи, поскольку они позволяют, имея минимальное число линий, установить связь между любыми двумя узлами, соответствующими вершинам графа.
Определим процедуру
остдерево( G, T)
где T — остовное дерево графа G. Будем предполагать, что G — связный граф. Можно представить себе алгоритмический процесс построения остовного дерева следующим образом. Начать с пустого множества ребер и постепенно добавлять новые ребра, постоянно следя за тем, чтобы не образовывались циклы. Продолжать этот процесс до тех пор, пока не обнаружится, что нельзя присоединить ни одного ребра, поскольку любое новое ребро порождает цикл. Полученное множество ребер будет остовным деревом. Отсутствие циклов можно обеспечить, если придерживаться следующего простого правила: ребро присоединяется к дереву только в том случае, когда одна из его вершин уже содержится в строящемся дереве, а другая пока еще не включена в него. Программа, реализующая эту идею, показана на рис. 9.22.
