Урок 05. Знаковые и табличные модели. Графы и матрицы
Научиться описывать связи графом, двоичной матрицей смежности и весовой матрицей.
Понадобятся тетрадь, карандаш и линейка. Веб-тренажёр находится в папке Информатика/Тренажёры/Графы и матрицы основного учебного проекта.
Все уроки · Перейти к заданиям
Материалы к уроку
1. Знаковые модели
Знаковая модель описывает объект или процесс словами, числами, формулами, условными обозначениями, схемами или таблицами.
Разберём определение:
- модель — не сам объект, а его упрощённое описание;
- знаковая — настоящий объект заменён знаками: словами, буквами, числами, линиями или формулами;
- модель показывает не всё, а только важное для задачи.
Например, S = vt — не настоящая дорога и не автомобиль. Это короткая запись связи пути, скорости и времени.
| Пример | Знаки | Что показывает |
|---|---|---|
| Расписание | слова, номера, время | порядок уроков |
S = vt | буквы и математические знаки | связь пути, скорости и времени |
H₂O | химические символы | состав воды |
| Схема метро | точки и линии | станции и связи |
Модель показывает не всё, а только важное для задачи. Схема метро не повторяет настоящий вид города, но помогает выбрать маршрут.
Какие бывают знаковые модели
| Вид | Как выглядит | Пример |
|---|---|---|
| Словесная | описание словами | описание погоды |
| Математическая | числа и формулы | P = 2(a + b) |
| Графическая | схема, чертёж, график | план кабинета |
| Табличная | строки и столбцы | расписание |
| Алгоритмическая | последовательность команд | рецепт или программа |
| Специальная знаковая | знаки определённой области | H₂O, ноты, знаки карты |
Как запомнить
Знаковая модель отвечает на вопрос: «Какими знаками мы заменили настоящий объект?»
2. Табличные модели
В таблице «объект — свойство» каждая строка описывает объект, а столбцы — его свойства.
| Планета | Положение от Солнца | Тип |
|---|---|---|
| Земля | 3 | каменная |
| Марс | 4 | каменная |
В таблице «объект — объект» ячейки показывают связи между объектами. Матрица смежности графа — такая таблица: и строки, и столбцы соответствуют вершинам.
3. Граф
Граф — знаковая модель объектов и связей.
- вершины изображают объекты;
- рёбра изображают связи;
- стрелка показывает направление;
- число у ребра называется весом.
Проще говоря:
- точки — объекты;
- линии — связи;
- стрелки — направление связи;
- числа возле линий — вес связи.
Например:
Аня — Борис — ВикаЕсли линия означает дружбу, то Аня дружит с Борисом, а Борис — с Викой. Связь Ани и Вики на графе не указана.
Сначала уточни смысл линии
Цепочка «Москва — Тверь — Санкт-Петербург» может показывать соседние остановки маршрута. Но если линия означает прямое сообщение между городами, нужно добавить и Москва—Санкт-Петербург, когда такая связь есть. Один набор объектов может иметь разные графы — всё зависит от того, что названо связью.
Числа есть не у всех графов. Если у рёбер записаны расстояния, время или стоимость, граф называется взвешенным, а числа — весами рёбер.
А —— 4 км —— Б
\ /
7 км 2 км
\ /
В4. Двоичная матрица
В двоичной матрице смежности:
1означает, что ребро есть;0означает, что ребра нет.
Для рассматриваемых графов без петель на диагонали стоят нули.
| А | Б | В | |
|---|---|---|---|
| А | 0 | 1 | 1 |
| Б | 1 | 0 | 1 |
| В | 1 | 1 | 0 |
Строка показывает откуда, столбец — куда. Для неориентированного графа матрица симметрична. Для ориентированного графа симметрии может не быть.
Почему так происходит:
А — Б связь в обе стороны
А → Б связь только из А в БДля неориентированного ребра А—Б получаем зеркальные единицы:
| А | Б | |
|---|---|---|
| А | 0 | 1 |
| Б | 1 | 0 |
Для дуги А→Б обратной связи нет:
| А | Б | |
|---|---|---|
| А | 0 | 1 |
| Б | 0 | 0 |
Значит, матрица ориентированного графа может быть несимметричной. Она всё же будет симметричной, если у каждой стрелки есть обратная стрелка.
5. Весовая матрица
Если у рёбер есть веса, вместо единиц записывают эти числа.
| А | Б | В | |
|---|---|---|---|
| А | 0 | 4 | 7 |
| Б | 4 | 0 | 2 |
| В | 7 | 2 | 0 |
В задачах этого урока внедиагональный 0 означает отсутствие прямого ребра, а не бесплатную дорогу. Весовая матрица здесь описывает взвешенный граф и не связана с нейросетями.
6. Алгоритм построения
- Выпиши вершины.
- Запиши их в одинаковом порядке в строках и столбцах.
- Определи тип графа: ориентированный или нет, взвешенный или нет.
- Для графа без петель заполни диагональ нулями.
- Проверь каждую пару вершин.
- Для неориентированного графа проверь симметрию.
Не перепутай
В двоичной матрице записывают
1, а в весовой — число возле ребра. В ориентированном графе сначала читают строку, затем столбец.
Наглядная схема
flowchart LR G["Граф"] --> Q{"Есть веса?"} Q -->|"Нет"| B["Двоичная матрица: 0 или 1"] Q -->|"Да"| W["Весовая матрица: 0 или вес"] B --> C["Проверить диагональ и направление"] W --> C C --> S{"Граф неориентированный?"} S -->|"Да"| Y["Проверить симметрию"] S -->|"Нет"| N["Соблюдать направление стрелок"]
Тренировка по шагам
Сначала запиши собственный ответ. Разбор открывай после попытки.
Шаг 1. Узнай модель
К какому виду знаковых моделей относятся формула P = 2(a + b), план кабинета и расписание уроков?
Ответ ученика
Запиши три вида моделей.
Правильный ответ к шагу 1
Формула — математическая модель, план — графическая, расписание — табличная.
Шаг 2. Объект и свойство
В таблице «Телефон / цена / масса / память» что является объектом, а что — свойствами?
Ответ ученика
Запиши ответ своими словами.
Правильный ответ к шагу 2
Объекты — конкретные телефоны в строках. Свойства — цена, масса и объём памяти в столбцах.
Шаг 3. Прочитай матрицу
| А | Б | В | |
|---|---|---|---|
| А | 0 | 1 | 0 |
| Б | 1 | 0 | 1 |
| В | 0 | 1 | 0 |
Назови все рёбра неориентированного графа.
Ответ ученика
Запиши рёбра.
Правильный ответ к шагу 3
Рёбра А—Б и Б—В. Ребра А—В нет.
Шаг 4. Объясни симметрию
Почему в предыдущей матрице значения в ячейках АБ и БА одинаковы?
Ответ ученика
Объясни одним предложением.
Правильный ответ к шагу 4
Граф неориентированный: ребро А—Б показывает связь в обе стороны, поэтому обе ячейки равны 1.
Шаг 5. Построй двоичную матрицу
Есть неориентированные рёбра А—Б и А—В. Построй матрицу для порядка А, Б, В.
Ответ ученика
Запиши таблицу 3×3.
Правильный ответ к шагу 5
А Б В А 0 1 1 Б 1 0 0 В 1 0 0
Шаг 6. Построй весовую матрицу
Дороги: А—Б = 5 км, Б—В = 3 км, А—В прямой дороги нет. Построй весовую матрицу.
Ответ ученика
Запиши таблицу 3×3.
Правильный ответ к шагу 6
А Б В А 0 5 0 Б 5 0 3 В 0 3 0
Шаг 7. Учти направление
Есть дуги А→Б и В→А. Построй двоичную матрицу для порядка А, Б, В.
Ответ ученика
Сначала читай строку «откуда», затем столбец «куда».
Правильный ответ к шагу 7
А Б В А 0 1 0 Б 0 0 0 В 1 0 0 Обратные дуги Б→А и А→В не заданы, поэтому матрица несимметрична.
Шаг 8. Итог урока
Дан неориентированный взвешенный граф: А—Б = 6, А—В = 2, Б—В прямого ребра нет. Построй двоичную и весовую матрицы и объясни нули в ячейках БВ и ВБ.
Ответ ученика
Запиши две таблицы и объяснение.
Правильный ответ к шагу 8
Двоичная матрица:
А Б В А 0 1 1 Б 1 0 0 В 1 0 0 Весовая матрица:
А Б В А 0 6 2 Б 6 0 0 В 2 0 0 Нули БВ и ВБ означают, что прямого ребра между Б и В нет.