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Bachillerato

Grafos y representación de redes

Un grafo permite estudiar quién está conectado con quién. Puede representar estaciones, tareas, páginas o personas, pero primero hay que decidir qué significa cada punto y cada enlace. Empezaremos leyendo una red pequeña y después construiremos sus grados, sus tablas y sus recorridos.

Si necesitas repasar:

1. Los vértices son elementos; las aristas son conexiones directas

En el dibujo, A, B, C y D son cuatro estaciones imaginarias. Una línea entre dos significa que existe un enlace directo. Los puntos se llaman vértices y las líneas, aristas. El grafo guarda esas incidencias, no necesariamente la forma física o longitud de una carretera.

Tres vértices forman un ciclo y uno queda como hoja
ABCDE = {AB, AC, AD, BC}
Grafo simple no dirigido con vértices A, B, C, D y aristas AB, AC, AD y BC. El triángulo A B C forma un ciclo; D solo conecta con A. Los grados son tres, dos, dos y uno. Las longitudes dibujadas no representan costes.
Escribimos G=(V,E): V es el conjunto de vértices y E el de aristas.
En este grafo simple no dirigido, V={A,B,C,D} y E={AB,AC,AD,BC}.

AB y BA nombran la misma arista. Simple significa que no hay lazos ni conexiones repetidas entre el mismo par.

Una conexión directa o un recorrido de varios pasos

¿Se puede ir de D a B en el dibujo? ¿Hay arista DB?

  1. Lista de aristas

    No aparece DB: no hay enlace directo.

  2. Dos pasos

    D está unido con A y A con B.

  3. Recorrido

    D−A−B permite llegar usando dos aristas.

Resultado

Hay recorrido de D a B, pero no arista DB.

Lo comprobamos

Estar conectado mediante varios pasos no convierte los extremos en vecinos directos.

Redibujar no cambia las incidencias

Si movemos B al otro lado del papel manteniendo las mismas cuatro aristas, ¿cambia el grafo etiquetado?

  1. Datos que se conservan

    Los mismos vértices y los mismos pares conectados.

  2. Datos visuales que cambian

    Posiciones y longitudes dibujadas.

  3. Modelo

    Esos últimos datos no eran parte del grafo sin pesos.

Resultado

No cambia el grafo etiquetado.

Lo comprobamos

No deducimos costes o distancias de una colocación elegida para que el dibujo sea claro.

2. Una flecha indica sentido y un peso añade un dato de coste

Una red dirigida usa arcos A→B con origen y destino.

No implica que exista B→A.

Un peso añade un número a la conexión: minutos, kilómetros, euros u otra magnitud declarada. El peso puede no tener relación con lo largo que se dibuja el trazo.

La dirección de cada flecha cambia qué recorrido se admite
ABCDA → C → D sí ; D → C no
Arcos A a B, A a C, B a C y C a D. A tiene salida dos y entrada cero; B una de cada tipo; C entrada dos y salida una; D entrada una y salida cero. Ningún arco implica el inverso.

Un multigrafo permite varias aristas entre el mismo par, como dos servicios distintos. Un lazo une un vértice consigo mismo. Son modelos válidos, pero sus reglas de conteo deben incluir esas posibilidades. Siempre indicamos si trabajamos con grafo simple, dirigido, ponderado o alguna combinación.

Respetar flechas

En el dibujo dirigido, compara A→C→D y D→C→A.

  1. Primer recorrido

    Los dos arcos A→C y C→D existen.
  2. Sentido contrario

    No existe D→C; no podemos comenzar el segundo.
  3. Conclusión

    La línea no autoriza recorrerla en ambos sentidos.

Resultado

El primero es válido y el segundo no.

Lo comprobamos

Para viajar en ambos sentidos hacen falta los dos arcos o declarar una arista no dirigida.

Dos servicios no se funden en uno

Entre P y Q hay dos servicios de duraciones 5 y 9 minutos. ¿Qué datos guardaría un multigrafo ponderado?

  1. Vértices

    P y Q.

  2. Conexiones

    Dos aristas distintas entre esos mismos vértices.

  3. Pesos

    Cinco y nueve minutos, uno para cada servicio.

Resultado

Dos conexiones paralelas con pesos distintos.

Lo comprobamos

Un grafo simple con un único peso perdería información salvo que definiéramos qué resumen queremos conservar.

3. El grado cuenta extremos de aristas en un vértice

En un grafo simple no dirigido, el grado d(v) es cuántas aristas llegan a v, igual al número de vecinos. Un vértice aislado tiene grado cero. Con conexiones paralelas las contamos por separado; un lazo cuenta dos porque sus dos extremos están en el mismo vértice.

Cada arista aporta dos al total de grados, de modo que la suma es 2m, donde m es el número de aristas. Por eso el total es par y la cantidad de vértices con grado impar también es par: solo esos sumandos pueden cambiar la paridad.

Contar en el grafo del inicio

Halla los grados de A,B,C,D con E={AB,AC,AD,BC}.

  1. A

    Inciden AB,AC,AD: grado tres.

  2. B y C

    B usa AB,BC; C usa AC,BC: grado dos cada uno.

  3. D

    Solo AD: grado uno.

  4. Revisar

    3+2+2+1=8=2·4.
Resultado

Grados (3,2,2,1), cuatro aristas.

Lo comprobamos

Los dos vértices impares son A y D: hay una cantidad par de ellos.

Un lazo tiene dos extremos en el mismo sitio

Hay dos aristas paralelas PQ y un lazo en P. Halla grados y recuento total.

  1. P

    Dos incidencias de las paralelas más dos del lazo: cuatro.

  2. Q

    Dos incidencias: grado dos.

  3. Comprobar

    Total seis; hay tres aristas y 2·3=6.
Resultado

d(P)=4 y d(Q)=2.

Lo comprobamos

P tiene un único vecino distinto de sí, pero su grado no es uno en este multigrafo.

4. En una red dirigida contamos por separado entradas y salidas

El grado de entrada cuenta los arcos que llegan; el de salida, los que parten. Una flecha tiene un origen y un destino: sumando entradas obtenemos m y sumando salidas también m. No usamos solo una lista de vecinos que oculte la dirección.

Un lazo dirigido aporta una entrada y una salida al mismo vértice. Un vértice con salida cero puede recibir tráfico y no permitir continuarlo. Estas cuentas resumen sentidos locales; para saber si se puede llegar lejos hay que seguir recorridos.

Una tabla de entradas y salidas

En A→B, A→C, B→C y C→D, cuenta para cada vértice.

  1. A y B

    A tiene entrada cero y salida dos; B una entrada y una salida.

  2. C y D

    C recibe dos y sale una; D recibe una y no sale.

  3. Totales

    Entradas 0+1+2+1=4; salidas 2+1+1+0=4.
Resultado

Cuatro arcos, con ambos totales iguales a cuatro.

Lo comprobamos

La suma conjunta sería ocho, pero perderíamos qué sentido corresponde a cada incidencia.

Añadir un lazo dirigido

Añade C→C a la red anterior.

  1. Antes en C

    Entrada dos y salida una.

  2. Aporte del lazo

    Una nueva entrada y una nueva salida.

  3. Después

    Entrada tres y salida dos; ahora hay cinco arcos.

Resultado

En C: entrada tres, salida dos.

Lo comprobamos

Cada total global aumenta en uno, no en dos; el total de ambos tipos juntos sí aumenta en dos.

5. Una lista y una matriz describen las mismas conexiones con otro orden

La lista de aristas enumera conexiones; la lista de adyacencia da los vecinos de cada vértice. En no dirigidos, cada arista aparece en las listas de sus dos extremos. La lista de vértices debe conservar los aislados, aunque no aparezcan en ninguna arista.

Fila y columna usan el mismo orden A, B, C, D
ABCD0111101011001000Sumas de filas: 3, 2, 2, 1
Adyacencia del grafo AB, AC, AD, BC en orden A, B, C, D. Filas cero, uno, uno, uno; uno, cero, uno, cero; uno, uno, cero, cero; uno, cero, cero, cero. Es simétrica, sin lazos y con sumas de filas tres, dos, dos, uno.

En una matriz de adyacencia fijamos un mismo orden para filas y columnas. La casilla (i,j) vale uno si hay conexión de i a j y cero si no. En un grafo simple no dirigido es simétrica, y sin lazos tiene diagonal cero. Para pesos necesitamos diferenciar conexión de peso cero y ausencia: por ejemplo usando un símbolo ∞ para la ausencia.

Del dibujo a las listas

Escribe vecinos del grafo inicial.

  1. A

    B,C,D.

  2. B

    A,C.

  3. C y D

    C: A,B; D: A.

  4. Verificar

    Las longitudes de las listas son los grados tres,dos,dos,uno.

Resultado

A:{B,C,D}; B:{A,C}; C:{A,B}; D:{A}.

Lo comprobamos

Cada una de las cuatro aristas aparece exactamente en dos listas.

Leer una matriz con el orden declarado

En la matriz del dibujo, con orden A,B,C,D, interpreta la casilla (2,3) y la (2,4).

  1. Fila dos

    Representa B.

  2. Columna tres

    Representa C; el uno indica arista BC.

  3. Columna cuatro

    Representa D; el cero indica que no hay BD.

Resultado

BC existe y BD no existe.

Lo comprobamos

Sin el orden de vértices, los índices numéricos no identifican nombres concretos.

Un aislado y un peso cero requieren conservar datos distintos

En una red con vértices P,Q,R, solo existe PQ con coste cero.

  1. Lista completa

    R sigue siendo un vértice aunque no aparezca en aristas.

  2. Coste

    PQ=0 es una conexión real y gratuita según el modelo.

  3. Ausencia

    PR y QR necesitan otro símbolo, como ∞, para no confundirlas con PQ.

Resultado

Hay una conexión de peso cero y un vértice aislado.

Lo comprobamos

Una tabla de pesos que usara cero para todo perdería la distinción.

6. Un recorrido sigue conexiones; un camino simple evita repetir vértices

Usaremos recorrido para una sucesión de vértices consecutivos unidos por conexiones admitidas, con posibles repeticiones. Camino simple no repite vértices. Ciclo simple vuelve al inicial sin repetir los demás; en un grafo simple no dirigido tiene al menos tres aristas.

Un grafo no dirigido es conexo si cualquier pareja puede unirse por un camino. Si no, se divide en componentes conexas. En dirigidos, fuertemente conexo exige caminos orientados entre cada pareja en ambos sentidos; débilmente conexo solo pide conexión al ignorar las flechas.

Clasificar recorridos del dibujo inicial

Compara D−A−B−C, A−B−C−A y A−B−A−D.

  1. Primero

    No repite vértices: camino simple.

  2. Segundo

    Vuelve a A y no repite B ni C: ciclo simple.

  3. Tercero

    Es recorrido válido, pero repite A y la arista AB: no es camino simple.

Resultado

Camino simple, ciclo simple y recorrido con repeticiones.

Lo comprobamos

A−B−A es cerrado, pero no un ciclo simple del grafo sin aristas paralelas.

Conexión débil no asegura poder volver

Clasifica la red dirigida A→B, A→C, B→C, C→D.

  1. Ignorar sentidos

    Todos los vértices quedan unidos en una componente.

  2. Respetar sentidos

    Desde D no hay salida hacia A.

  3. Clasificar

    Débilmente conexa, pero no fuertemente conexa.

Resultado

Débilmente conexa y no fuertemente conexa.

Lo comprobamos

Añadir un vértice E aislado separaría otra componente incluso al ignorar sentidos.

7. Un árbol conecta todo sin ciclos y deja un único camino simple

Un árbol es un grafo no dirigido conexo y sin ciclos. Entre dos vértices hay un único camino simple: si hubiera dos distintos, juntos permitirían formar un ciclo. Para n vértices tiene n−1 aristas; con un solo vértice necesita cero.

Cada arista de un árbol es necesaria para mantenerlo conectado
ABCD4 vértices · 3 aristas · sin ciclo
Árbol de aristas AB, AC y CD. Hay cuatro vértices y tres aristas. Entre B y D el único camino simple es B A C D. Al quitar AC, el conjunto queda dividido en dos componentes.

En un árbol finito con al menos dos vértices hay hojas, de grado uno: los extremos de un camino simple de longitud máxima deben serlo, pues en otro caso el camino podría extenderse o cerraría un ciclo. Quitar una hoja y su arista conserva un árbol; repetirlo resta un vértice y una arista cada vez.

Un bosque con n vértices y c componentes tiene n−c aristas.

Comprobar la estructura antes de usar la fórmula

Con V={A,B,C,D} y E={AB,AC,CD}, localiza el camino de B a D.

  1. Recorrer

    B−A−C−D.

  2. Estructura

    Conecta los cuatro y no hay ciclo: árbol.

  3. Cuenta

    Cuatro vértices, tres aristas. Quitar AC separa {A,B} de {C,D}.

Resultado

Camino único B−A−C−D; es un árbol.

Lo comprobamos

Añadir BD crearía el ciclo B−A−C−D−B.

La cuenta n−1 sola no demuestra que sea árbol

Compara un triángulo ABC junto con D aislado.

  1. Cantidades

    Cuatro vértices y tres aristas: cumple m=n−1.
  2. Fallo de conexión

    D no se une al triángulo.

  3. Fallo de aciclicidad

    ABC es un ciclo.

Resultado

No es árbol aunque tenga n−1 aristas.

Lo comprobamos

En cambio, para un bosque con siete vértices y dos componentes, m=7−2=5, contando la estructura de cada árbol.

8. El dibujo no puede añadir datos que el modelo no contiene

Un cruce de trazos no es por sí solo un vértice: dos carreteras pueden pasar a distinta altura. La lista de vértices y conexiones decide si se puede cambiar de una a otra. Si añadimos una intersección real, debemos representarla explícitamente y actualizar las aristas.

Dos trazos que se cruzan pueden seguir siendo dos conexiones separadas
ABCDCruce de trazos ≠ vértice
Solo hay dos aristas, AB y CD, que se cruzan en el dibujo sin un punto que represente un vértice. Son dos componentes separadas; no se puede pasar de A a C usando ese cruce. Para que hubiera enlace habría que añadir explícitamente un vértice en la intersección.

Un grafo puede omitir horarios, capacidades o frecuencias. Si la pregunta depende de esos datos, hay que incorporarlos antes de calcular. Tampoco una lista de grados o un número total de aristas reconstruye necesariamente el grafo: son resúmenes que sirven para comprobar ciertas condiciones.

Dos puentes que se cruzan en el papel

En el último dibujo solo hay AB y CD. ¿Existe un recorrido de A a C?

  1. Componente de A

    Contiene A y B.

  2. Otra componente

    Contiene C y D.

  3. Cruce

    No hay vértice común declarado en la intersección.

Resultado

No hay recorrido de A a C en este modelo.

Lo comprobamos

Dibujar un punto nuevo y dividir los enlaces cambiaría el grafo y podría cambiar la respuesta.

Una suma de grados par no garantiza que exista cualquier lista

¿Puede un grafo simple de cuatro vértices tener grados (3,3,1,1)?

  1. Control inicial

    Suman ocho, un número par: pasa esa comprobación necesaria.

  2. Los dos de grado tres

    Cada uno debe conectarse con los otros tres vértices.

  3. Consecuencia

    Los dos vértices restantes recibirían al menos dos aristas cada uno, contradiciendo su grado uno.

Resultado

No puede; la suma par no era una condición suficiente.

Lo comprobamos

Un resumen puede descartar algunos errores sin demostrar que todo el modelo sea realizable.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Grados

Grafo con aristas AB,AC,BC,CD. Halla grados y número de aristas.

  1. Listar incidencias de A

    AB y AC: grado dos.

  2. Incidencias de B

    AB y BC: grado dos.

  3. Incidencias de C

    AC, BC y CD: grado tres.

  4. Incidencias de D

    Solo CD: grado uno.

  5. Contar aristas

    AB,AC,BC,CD son cuatro conexiones distintas.

  6. Comprobar por doble recuento

    2+2+3+1=8=2·4.
Resultado

Grados 2,2,3,1; 4 aristas.

Lo comprobamos

8=2·4.

EJEMPLO RESUELTO 2

Árbol

Una red es un árbol con 9 estaciones. ¿Cuántas conexiones tiene?

  1. Dato estructural

    La red ya se declara árbol: conexa y sin ciclos.

  2. Aplicar la relación

    Un árbol con n vértices tiene n−1 aristas.

  3. Sustituir

    9−1=8 conexiones.
  4. Comprobar el significado

    Añadir otra conexión entre vértices ya presentes cerraría un ciclo; quitar una de las ocho desconectaría la red.

Resultado

8 conexiones.

Lo comprobamos

Añadir una conexión más entre sus vértices crearía un ciclo.

Los símbolos que hemos usado

G=(V,E)
Grafo formado por el conjunto de vértices V y de aristas E.
n=|V|
Número de vértices de un grafo finito.
m=|E|
Número de aristas de un grafo finito.
d(v)
Grado de v, número de incidencias de aristas en ese vértice.
Vecino
Vértice conectado mediante una arista al vértice considerado.
Componente conexa
Conjunto maximal de vértices que pueden alcanzarse entre sí.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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