В поисках клики

В рамках проводимого исследования институтскому профессору социологии понадобилось найти 50 жителей Королевства, которые дружили бы между собой. Своими силами справиться с задачей не удалось, и профессор обратилась на факультет компьютерных наук, где один из специалистов рассказал ей о базе дружеских связей и уверенно заявил, что клика из 50 друзей найдется без труда.

На деле выяснилось, что труд здесь требуется совершенно непосильный. Количество различных групп размера 50 оказалось непомерно огромным и выражалось числом из 151 цифры; не было и речи о том, чтобы проверить хотя бы сотую долю вариантов. Круг поиска пытались сузить всеми возможными способами – в частности, отсекли тех жителей, у которых было меньше 49 друзей, поскольку они-то уж точно не могли входить в искомую клику. Однако, несмотря на свою высокую квалификацию, исследователи не набрали и 25 друзей и при этом не смогли представить убедительное доказательство того, что клики размера 50 в Королевстве не существует.

Работа встала. Исследователи опустили руки. Внезапно одного из аспирантов осенило: «Слушайте, у нас же есть „Альфа“!» «Альфой» называлось известное, но при этом полусекретное сообщество, все члены которого, по слухам, дружили между собой. Пятьдесят «альфовцев» удалось найти довольно быстро: ведь, в конце концов, секретным сообщество было лишь наполовину. Оставалось только перебрать 1225 пар, чтобы проверить дружеские связи. К изумлению исследователей (но не самих «альфовцев», разумеется), все пятьдесят действительно оказались друзьями. Клика нашлась.

Передай скипетр

Иногда достаточно внести лишь одно незначительное изменение, чтобы задача, решение которой находится очень легко, стала прямо-таки неприступной, и сейчас мы с вами в этом убедимся.

Дети в Королевстве любят играть в игру под названием «Передай скипетр», в которой участники по очереди передают друг другу небольшую палку. Передачей считается тот момент, когда палку держат двое – передающий и принимающий.

Правила игры:

1. Палку можно передавать только друзьям.

2. Между любыми двумя друзьями палка должна переместиться ровно один раз.

Пусть в игре участвуют пятеро детей. Одно из возможных решений таково: начинают с Барбары, она передает палку Эрику, Эрик – Алексу, Алекс – Кэти, Кэти – снова Эрику, а Эрик – Дэвиду.

Рис. 3.6. Дети

Дети, которые играют в «Передай скипетр» часто, вскоре понимают: решение существует, когда нечетное число друзей среди игроков имеется не более чем у двух участников. В данном случае таких участников у нас ровно два – это Дэвид и Барбара, у каждого из которых среди играющих есть только один друг. У остальных детей количество друзей четно: у Алекса и Кэти – по два, у Эрика – четыре. Вы спросите, причем тут четность? А вот причем: чтобы передать кому-то палку, нужно сначала получить ее, поэтому каждый игрок, кроме первого и последнего, обязательно участвует в четном количестве передач.

Рис. 3.7. Дети: число друзей у всех четно

Когда у всех участников число друзей четно, в случае успешного исхода палка возвращается к тому, с кого начали.

В данной ситуации решение может быть таким: начинают с Алекса, он передает палку Эрику, Эрик – Дэвиду, Дэвид – Барбаре, Барбара – снова Эрику, Эрик – Кэти, а Кэти – Алексу.

Прообразом игры «Передай скипетр» послужила одна очень известная головоломка XVIII века. В прусском городе Кёнигсберге (а ныне российском Калининграде) через реку Прегель и ее рукава было перекинуто семь мостов (см. карту на рис. 3.8).

Рис. 3.8. Старинная карта мостов Кёнигсберга

Жителям долгое время не давал покоя вопрос: можно ли посетить все районы города, проходя по каждому мосту ровно один раз? В 1735 году знаменитый математик Леонард Эйлер придумал, как изобразить задачу в виде схемы (см. рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема Эйлера

Очень похоже на игру со скипетром, и критерий существования решения здесь тот же; единственное отличие заключается в том, что узами дружбы связаны уже не дети, а районы города – Северный, Восточный, Южный и Остров. Эйлер доказал, что пройти по каждому мосту ровно один раз невозможно, поскольку во всех районах города количество мостов нечетно.

Так и выяснилось, что задача о семи мостах не имеет решения. В память об этом в игре со скипетром любой подходящий путь (а их бывает несколько) называется эйлеровым. Эйлеров путь можно искать по-разному, в том числе и простым перебором, однако при увеличении количества участников число вариантов заметно возрастает. Дети в Королевстве первым делом пересчитывают игроков с нечетным числом друзей, чтобы понять, существует ли вообще решение; если оно существует, то найти искомый путь уже не составляет особого труда. Поиск эйлерова пути – еще один пример задачи из класса P, т. е. задачи, для которой существует эффективный алгоритм.

Рис. 3.10. Передай скипетр – 2: решение есть

Постепенно дети подрастают. Играть становится все легче и легче; в конце концов «Передай скипетр» надоедает им, и тогда они начинают играть в ее вариацию, которую кто-то, не мудрствуя лукаво, окрестил «Передай скипетр – 2». Правила игры следующие:

1. Палку можно передавать только друзьям.

2. Все игроки, кроме первого, получают палку ровно один раз; в конце палка возвращается к первому игроку.

Для представленной ниже схемы дружеских связей решение может быть таким: Дэвид передает скипетр Барбаре, Барбара – Эрику, Эрик – Алексу, Алекс – Кэти, а Кэти возвращает его Дэвиду.

А вот для следующей схемы решения, как выяснилось, не существует.

Рис. 3.11. Передай скипетр – 2: решения нет

Новые правила выглядят проще. Поначалу детям даже кажется, что вторая игра легче, чем первая, однако при увеличении числа участников играть в нее становится намного сложнее. В 1857 году математик Уильям Роуэн Гамильтон изобрел головоломку «Икосиан», или «Путешествие по додекаэдру», в которой нужно было выполнить обход вершин правильного двенадцатигранника, или додекаэдра.

Рис. 3.12. «Путешествие по додекаэдру»

Эта головоломка – частный случай второй игры со скипетром. Представьте, что вершины додекаэдра соответствуют жителям Королевства, а ребра соединяют друзей, – и получите самую настоящую схему дружеских связей. Сумеете сами обойти додекаэдр и решить вторую игру со скипетром? Ответ вас ждет в конце главы.

Любой путь, удовлетворяющий условиям игры, в честь создателя головоломки называется гамильтоновым циклом.

Рис. 3.13. Додекаэдр