Реферат: Нахождение кратчайшего пути
Размещение объектов в Delphi связано с более тесными отношениями между объектами и реальным программным кодом. Объекты помещаются в вашу форму, при этом код, отвечающий объектам, автоматически записывается в исходный файл. Этот код компилируется, обеспечивая существенно более высокую производительность, чем визуальная среда, которая интерпретирует информацию лишь в ходе исполнения программы.
3.2. Программа «Определение кратчайшего пути в графе»
Программа «Определение кратчайшего пути в графе» разработана в среде «Delphi», работает под ОС «Windows»-95,98,2000,NT.
Программа позволяет вводить, редактировать, сохранять графы в файл, загружать из файла. Также реализован алгоритм нахождения кратчайшего пути.
Интерфейс программы имеет следующий вид:
Верхняя панель кнопок предназначена для редактирования графа.
Кнопка
«Загрузить» 
предназначена
для загрузки ранее сохраненного графа из файла.
Кнопка «Сохранить» 
предназначена для сохранения графа
в файл.
Кнопка «Переместить» 
предназначена для перемещения
вершин графа.
Кнопка «Удалить» 
предназначена для удаления вершин
графа.
При нажатии на кнопку «Новый» 
рабочее поле программы будет очищено
и появится возможность ввода нового графа.
Кнопка
«Помощь» 
вызывает
помощь программы.
Для очистки результатов работы алгоритма определения
кратчайшего пути в графе необходимо нажать кнопку «Обновить» 
.
При нажатии на кнопку «Настройки» 
на экране появится окно,
в котором можно настроить параметры сетки рабочего поля программы и цвета
вводимого графа.
Окно настроек выглядит следующим образом:
Нижняя панель кнопок предназначена для установки параметров ввода и запуска алгоритма определения кратчайшего пути в графе. Данная панель состоит из четырех кнопок:
При включенной кнопке «Показывать сетку» 
отображается
сетка для удобства ввода вершин.
Для автоматического ввода длины ребра графа необходимо
нажать кнопку 
.
При включенной кнопке «Выравнивать по сетке» 
новые вершины
будут автоматически выравниваться по координатной сетке.
Если выбрать две различные вершины (щелчком левой
кнопки мыши) и нажать на кнопку 
, то программа найдет кратчайший
путь между вершинами.
Алгоритм определения кратчайшего пути между вершинами графа описан следующим модулем программы:
unit MinLength;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Dialogs,
StdCtrls,IO,Data,AbstractAlgorithmUnit;
type
TMinLength = class(TAbstractAlgorithm)
private
StartPoint:integer;
EndPoint:integer;
First:Boolean;
Lymbda:array of integer;
function Proverka:Boolean;
public
procedure Make;
end;
var
MyMinLength: TMinLength;
implementation
uses MainUnit, Setting;
procedure TMinLength.Make;
var i ,j : integer;
PathPlace,TempPoint:Integer;
flag:boolean;
begin
with MyData do begin
StartPoint:=MyIO.FirstPoint;
EndPoint:=MyIO.LastPoint;
SetLength(Lymbda,Dimension+1);
SetLength(Path,Dimension+1);
for i:=1 to Dimension do
Lymbda[i]:=100000;
Lymbda[StartPoint]:=0;
repeat
for i:=1 to Dimension do
for j:=1 to Dimension do
if Matrix[i,j]=1 then
if ( ( Lymbda[j]-Lymbda[i] ) > MatrixLength[j,i] )
then Lymbda[j]:=Lymbda[i] + MatrixLength[j,i];
until Proverka ;
Path[1]:= EndPoint ;
j:=1;
PathPlace:=2;
repeat
TempPoint:=1;
Flag:=False;
repeat
if ( Matrix[ Path[ PathPlace-1 ],TempPoint] =1 )and (
Lymbda[ Path[ PathPlace-1] ] =
( Lymbda[TempPoint] + MatrixLength[ Path[PathPlace-1 ], TempPoint] ) )
then Flag:=True
else Inc( TempPoint );
until Flag;
Path[ PathPlace ]:=TempPoint;
inc( PathPlace );
MyIO.DrawPath(Path[ PathPlace-2 ],Path[ PathPlace -1],true);
// ShowMessage('f');
until(Path[ PathPlace - 1 ] = StartPoint);
// MyIO.DrawPath(Path[ PathPlace-1 ],Path[ PathPlace ],true);
end;
end;
function TMinLength.Proverka:Boolean;
var i,j:integer;
Flag:boolean;
begin
i:=1;
Flag:=False;
With MyData do begin
repeat
j:=1;
repeat
if Matrix[i,j]=1 then
if ( Lymbda[j]-Lymbda[i] )>MatrixLength[j,i]then Flag:=True;
inc(j);
until(j>Dimension)or(Flag);
inc(i);
until(i>Dimension)or(Flag);
Result:=not Flag;
end;
end;
end.
Рабочее поле программы предназначено для визуального ввода графов.
Рабочее поле с введенным графом выглядит следующим образом:
Теория графов находит широкое применение в различных областях науки и техники:
Графы и информация
Двоичные деревья играют весьма важную роль в теории информации. Предположим, что определенное число сообщений требуется закодировать в виде конечных последовательностей различной длины, состоящих из нулей и единиц. Если вероятности кодовых слов заданы, то наилучшим считается код, в котором средняя длина слов минимальна по сравнению с прочими распределениями вероятности. Задачу о построении такого оптимального кода позволяет решить алгоритм Хаффмана.
Двоичные кодовые деревья допускают интерпретацию в рамках теории поиска. Каждой вершине при этом сопоставляется вопрос, ответить на который можно либо "да", либо "нет". Утвердительному и отрицательному ответу соответствуют два ребра, выходящие из вершины. "Опрос" завершается, когда удается установить то, что требовалось.
Таким образом, если кому-то понадобится взять интервью у различных людей, и ответ на очередной вопрос будет зависеть от заранее неизвестного ответа на предыдущий вопрос, то план такого интервью можно представить в виде двоичного дерева.
Графы и химия
Еще А. Кэли рассмотрел задачу о возможных структурах насыщенных (или предельных) углеводородов, молекулы которых задаются формулой:
CnH2n+2
Молекула каждого предельного углеводорода представляет собой дерево. Если удалить все атомы водорода, то оставшиеся атомы углеводорода также будут образовывать дерево, каждая вершина которого имеет степень не выше 4. Следовательно, число возможных структур предельных углеводородов, т. е. число гомологов данного вещества, равно числу деревьев с вершинами степени не больше четырех.
Таким образом, подсчет числа гомологов предельных углеводородов также приводит к задаче о перечислении деревьев определенного типа. Эту задачу и ее обобщения рассмотрел Д. Пойа.
Графы и биология
Деревья играют большую роль в биологической теории ветвящихся процессов. Для простоты мы рассмотрим только одну разновидность ветвящихся процессов – размножение бактерий. Предположим, что через определенный промежуток времени каждая бактерия либо делится на две новые, либо погибает. Тогда для потомства одной бактерии мы получим двоичное дерево.
Нас будет интересовать лишь один вопрос: в скольких случаях n-е поколение одной бактерии насчитывает ровно k потомков? Рекуррентное соотношение, обозначающее число необходимых случаев, известно в биологии под названием процесса Гальтона-Ватсона. Его можно рассматривать как частный случай многих общих формул.
Графы и физика
Еще недавно одной из наиболее сложных и утомительных задач для радиолюбителей было конструирование печатных схем.
Печатной схемой называют пластинку из какого-либо диэлектрика (изолирующего материала), на которой в виде металлических полосок вытравлены дорожки. Пересекаться дорожки могут только в определенных точках, куда устанавливаются необходимые элементы (диоды, триоды, резисторы и другие), их пересечение в других местах вызовет замыкание электрической цепи.
В ходе решения этой задачи необходимо вычертить плоский граф, с вершинами в указанных точках.
Итак, из всего вышесказанного неопровержимо следует практическая ценность теории графов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов Теория Графов, Москва, «Наука»,1968.
2. Новые педагогические и информационные технологии Е.С.Полат, Москва, «Akademia» 1999 г.
3. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Кук Д., Бейз Г. Компьютерная математика. – М.: Наука, 1990.
5. Нефедов В.Н., Осипова В.А. Курс дискретной математики. – М.: Издательство МАИ, 1992.
6. Оре О. Теория графов. – М.: Наука, 1980.
7. Исмагилов Р.С., Калинкин А.В. Матеpиалы к пpактическим занятиям по куpсу: Дискpетная математика по теме: Алгоpитмы на гpафах. - М.: МГТУ, 1995
8. Смольяков Э.Р. Введение в теоpию гpафов. М.: МГТУ, 1992
9. Hечепуpенко М.И. Алгоpитмы и пpогpаммы pешения задач на гpафах и сетях. - Hовосибиpск: Hаука, 1990
10. Романовский И.В. Алгоpитмы pешения экстpемальных задач. - М.: Hаука, 1977
11. Писсанецки С. Технология разреженных матриц. - М.: Мир, 1988
12. Севастьянов Б.А. Вероятностные модели. - М.: Наука, 1992
13. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория вероятностей. - М.: Изд-во РУДН, 1994
ПРИЛОЖЕНИЕ
Текст программы определения кратчайшего пути в графе
Модуль управления интерфейсом программы:
unit MainUnit;
interface
uses
Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs,
StdCtrls,PaintingGraph, ComCtrls, ToolWin, ImgList, Menus,
ActnList, ExtCtrls;
const
crMyCursor = 5;
type
TForm1 = class(TForm)
SaveDialog1: TSaveDialog;
OpenDialog1: TOpenDialog;
ImageList1: TImageList;
ImageList2: TImageList;
LoadMenu: TPopupMenu;
ControlBar1: TControlBar;
ToolBar3: TToolBar;
OpenButton: TToolButton;
SaveButton: TToolButton;
ToolButton15: TToolButton;
ClearButton: TToolButton;
UpdateButton: TToolButton;
HelpButton: TToolButton;
ToolButton26: TToolButton;
RemovePointButton: TToolButton;
ToolButton28: TToolButton;
ToolButton32: TToolButton;
SettingButton: TToolButton;
ControlBar2: TControlBar;
AlgoritmToolBar: TToolBar;
KommiTool: TToolButton;
ToolButton: TToolButton;
NotFarButton: TToolButton;
MinLengthButton: TToolButton;
ToolButton5: TToolButton;
MovePointButton: TToolButton;
ActionList1: TActionList;
AShowGrig: TAction;
ASnapToGrid: TAction;
ASave: TAction;
ALoad: TAction;
ADelete: TAction;
GridToolBar: TToolBar;
Clock: TLabel;
Timer1: TTimer;
ShowGridButton: TToolButton;
AutoLengthButton: TToolButton;
SnapToGridButton: TToolButton;
PaintBox1: TPaintBox;
procedure FormMouseDown(Sender: TObject; Button: TMouseButton;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer);
procedure FormCreate(Sender: TObject);
procedure FormMouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
procedure FormPaint(Sender: TObject);
procedure FormKeyDown(Sender: TObject; var Key: Word;
Shift: TShiftState);
procedure ClearButtonClick(Sender: TObject);
procedure KommiToolButtonClick(Sender: TObject);
procedure PaintingToolButtonClick(Sender: TObject);
procedure SnapToGridButtonClick(Sender: TObject);
procedure HelpButtonClick(Sender: TObject);
procedure AutoLengthButtonClick(Sender: TObject);
procedure SettingButtonClick(Sender: TObject);
procedure NotFarButtonClick(Sender: TObject);
procedure MinLengthButtonClick(Sender: TObject);
procedure MovePointButtonClick(Sender: TObject);
procedure RemovePointButtonClick(Sender: TObject);
procedure Timer1Timer(Sender: TObject);
procedure ALoadExecute(Sender: TObject);
procedure AShowGrigExecute(Sender: TObject);
procedure ASaveExecute(Sender: TObject);
procedure PaintBox1Paint(Sender: TObject);
procedure UpdateButtonClick(Sender: TObject);
procedure EilerButtonClick(Sender: TObject);
procedure ClockClick(Sender: TObject);
private
procedure MyPopupHandler(Sender: TObject);
{ Private declarations }
public
{ Public declarations }
end;
var
Form1: TForm1;
implementation
uses IO,Data,Commercial,DrawingObject,Setting,NotFar,MinLength, Eiler,
SplashScreen;
{$R *.DFM}
procedure TForm1.FormMouseDown(Sender: TObject; Button: TMouseButton;
Shift: TShiftState; X, Y: Integer);
begin
if Button=mbLeft then begin
MyIO.FormMouseDown( X, Y);
if (MyIO.State=msMove)then
if MyIO.FirstPointActive then
Cursor := crMyCursor
else begin
Repaint;
Cursor := crDefault;
end;
end
else
MyIO.MakeLine(X, Y);
end;
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
Screen.Cursors[crMyCursor] := LoadCursor(HInstance, 'Shar');
MyIO:=TIO.Create(PaintBox1.Canvas);
MyData:=TData.Create;
MyDraw:=TDrawingObject.Create(PaintBox1.Canvas);
SaveDialog1.InitialDir:=ExtractFilePath(Application.ExeName)+'Grafs';
OpenDialog1.InitialDir:=ExtractFilePath(Application.ExeName)+'Grafs';
end;
procedure TForm1.FormMouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X,
Y: Integer);
begin
MyIO.DrawLine(x,y);
end;
procedure TForm1.FormPaint(Sender: TObject);
begin
PaintBox1Paint(Sender);
end;
procedure TForm1.FormKeyDown(Sender: TObject; var Key: Word;
Shift: TShiftState);
begin
if (Key=vk_Escape) then
begin
MyData.Remove(MyData.Dimension);
MyDraw.Remove(MyData.Dimension);
