그래프
점(꼭짓점, vertex)과 그 사이를 잇는 선(변)으로 관계만 남긴 구조. 어디에 어떻게 그리든, 누가 누구와 이어졌는지만이 그래프를 정한다.
그래프는 꼭짓점들의 집합(set)
지금 변은
하나 더 있습니다. 꼭짓점이 둘 이상인 그래프에는 차수가 같은 두 점이 반드시 있습니다(다중 그래프에서는 성립하지 않습니다). n개 점의 차수는 0부터 n−1까지인데, 차수가 0인 점(아무와도 안 이어짐)과 n−1인 점(모두와 이어짐)은 함께 있을 수 없습니다. 가능한 값이 n−1가지뿐이니 비둘기집 원리(pigeonhole principle)에 따라 두 점이 같은 값을 가집니다. 지금은
변을 따라 오갈 수 있는 점끼리 같은 색으로 칠했습니다. '길로 이어져 있다'는 동치관계(equivalence relation)라서 꼭짓점들이 서로 겹치지 않는 연결 성분으로 나뉩니다. 지금은
꼭짓점 n개 사이에 변을 넣을 수 있는 자리는
이어지는 곳. 변에 방향과 확률(probability)을 붙이면 마르코프 연쇄(Markov chain)의 상태 그림(점은 상태, 화살표 위의 수는 그 상태로 옮겨 갈 확률)이 되고, 그 위를 떠도는 산책자가 페이지랭크(PageRank)를 계산합니다. 변에 길이를 붙이면 최단 경로(shortest path)와 최소 신장 트리(minimum spanning tree) 문제가, 지도의 나라를 점으로 바꾸면 4색 정리(four color theorem)가, 수십억 명의 친구 관계를 보면 좁은 세상(small world) 현상이 나옵니다. 한 덩어리로 이어져 있으면서 순환(같은 변을 되짚지 않고 제자리로 돌아오는 고리)이 없는 그래프는 트리(tree)입니다. 두 무리 사이에만 변이 있는 그래프에서 짝을 짓는 문제는 홀의 정리(Hall's theorem)와 안정 매칭(stable matching)으로, 변에 용량(capacity)을 붙이면 최대 흐름(maximum flow) 문제로 이어집니다. 모든 두 점을 이은 완전 그래프(complete graph)의 변을 두 색으로 어떻게 칠해도 한 색 삼각형이 생기려면 점이 몇 개 있어야 하는지(답은 6개)를 묻는 데서 램지 이론(Ramsey theory)이 시작합니다. 화살표가 있는 그래프에서 화살표를 이어 붙인 길들을 새 화살표로 보면, 길 잇기가 결합법칙(associativity)을 지키고 길이 0인 길이 항등원(identity element) 구실을 하므로 범주(그 그래프가 만드는 자유 범주(category))가 됩니다.
0과 1만으로 된 길이 n인 문자열(비트열)들을 꼭짓점으로 삼고, 딱 한 자리만 다른 것끼리 변으로 이으면 n차원 초입방체(hypercube)가 됩니다. n = 2이면 00, 01, 11, 10이 정사각형의 네 꼭짓점이 되고, n = 3이면 정육면체가 됩니다. 이 그래프에서 두 비트열 사이의 최단 거리는 한 자리씩 고쳐 가야 하는 횟수, 곧 서로 다른 자리의 개수이고, 이것이 해밍 거리(Hamming distance)입니다.
칸들이 한 줄로 늘어선 것도 그래프(칸마다 양옆 칸과 이어진 경로)입니다. 칸마다 흑이나 백의 색이 있고, 매 순간 모든 칸이 자기와 양옆 칸의 색만 보고 동시에 다음 색을 정하는 규칙을 세포 자동자(cellular automaton)라고 합니다. 이렇게 단순한 규칙 가운데 '규칙 110(Rule 110)'이라 불리는 것 하나가 (끝없이 긴 줄에 알맞은 처음 무늬를 깔아 두면) 튜링 기계(Turing machine)가 할 수 있는 모든 계산을 흉내 낼 수 있습니다. 미국의 수학자 매슈 쿡이 증명해 2004년에 발표했습니다. 이처럼 겉모습이 전혀 다른 계산 장치들이 결국 같은 범위의 계산을 한다는 관찰이 처치–튜링 논제(Church–Turing thesis)를 뒷받침합니다.
이 개념이 나오는 긴 글
이 개념 위에 세워진 것
이 개념을 언급하는 페이지
- 무작위 행보
… 돌아오는 길의 수는 카탈랑 수 \frac{1}{n+1}\binom{2n}{n} 입니다. 직선 대신그래프위를 걸을 수도 있습니다. 점마다 거기서 나가는 선 가운데 하나를 무작위로 골라 옮겨 가는 것입니다. 어느 …
- 비둘기집 원리
… 모임 안에서 아는 사람 수가 같은 두 사람이 반드시 있습니다. 사람을 점, 아는 사이를 선으로 그린그래프에서 한 점에 닿은 선의 개수(차수)가 곧 아는 사람 수입니다. n 명이면 그 수는 0부터 n-1 까지 n …
- 동치관계와 분할
… 동치관계를 만듭니다. 각 동치류는 한 출력값으로 가는 입력 전체, 곧 그 값의 원상입니다. 방향 없는그래프에서 '길로 이어져 있다'는 관계도 동치관계이고(길이 0인 길, 곧 제자리도 길로 칩니다), 그 동치류가 …
- 교란 변수
… 가짜 연관을 만드는 제3의 변수를 교란 변수 라고 합니다. 오른쪽처럼 원인 관계를 화살표로 적은 방향그래프에서 X \leftarrow Z \rightarrow Y 라는 '뒷문 경로'가 열려 있으면, X가 Y에 …
- 무작위 대조 시험
… 정확히 참 효과가 됩니다. 사람마다 효과가 다르다면 참 효과는 그 평균입니다. 원인 관계를 화살표로 그린그래프로 말하면, 동전이 '건강 → 치료'라는 화살표를 끊어 버립니다. 물론 동전도 운이 나쁘면 한쪽에 건강한 …
- 쌍곡기하
… 모양과 잘 맞습니다. 나무도 단계마다 가지 수가 곱절로 늘어 지수적으로 커지기 때문입니다. 그래서 거대한그래프(인터넷, 사회 연결망)를 쌍곡평면에 그려, 몇 단계만 거치면 누구에게나 닿는 좁은 세상의 구조를 …
- 측지선
… 가장 짧은 총 길이)로 잇는 길, 곧 최단 경로는 측지선의 이산판입니다. 곡면 대신 점과 선으로 된그래프위에서 가장 짧은 길을 찾는 일이라, 실제로 '측지 거리'라고도 부릅니다. 빛은 두 점 사이를 걸리는 …
- 오일러 경로
… 보였습니다. 오일러가 점과 선을 그리지는 않았지만, 오늘날 말로 하면 땅을 점으로, 다리를 변으로 바꾼그래프의 문제입니다. 열쇠는 차수의 홀짝입니다. 길이 어떤 땅을 지나갈 때마다 들어오는 다리 하나와 나가는 다리 …
- 4색 정리
… 나라를 꼭짓점으로, 이웃 관계를 변으로 바꾸면 지도는 변이 서로 엇갈리지 않게 평면에 그릴 수 있는그래프가 되고, 문제는 이웃한 꼭짓점이 다른 색이 되게 칠하는 것이 됩니다. 나라를 눌러 색을 바꿔 보세요. …
- 최단 경로
지도 앱이 길을 찾을 때, 도로망은 교차로(꼭짓점)와 도로(변)로 된그래프이고 각 도로를 지나는 데 걸리는 시간이 변의 가중치입니다. 찾는 것은 가중치의 합이 가장 작은 길입니다. …
- 좁은 세상
… 답했습니다. 원 위의 n = 100개 점을 양옆으로 가까운 이웃과 이어(한 점당 이웃 k개) 고리 모양의그래프를 만들고, 각 변을 확률 p로 끊어 무작위로 고른 다른 점에 다시 잇습니다. 그리고 두 가지를 잽니다. …
- 페이지랭크
… 링크를 따라갈 확률 d를 감쇠 계수라고 부릅니다. 다음 위치가 지금 위치에만 달려 있으니 이것은 링크그래프위의 무작위 행보, 곧 마르코프 연쇄입니다. 오래 걸은 뒤 산책자가 각 페이지에 있을 확률이 그 …
- 최적 수송
… 만든 분포는 표본이 늘수록 참 분포에 바서슈타인 거리로도 다가갑니다(큰 수의 법칙). 도시들을 잇는그래프위라면 칸 사이의 거리 대신 최단 경로의 길이가 비용이 되고, 문자열을 바꾸는 최소 비용인 ⟦편집 …
- 거리 함수
… 해밍 거리, 단어의 편집 거리, 모든 점이 이어지고 모든 선이 양방향이며 선의 길이가 양수인그래프에서 최단 경로의 길이, 구면 위의 대원 거리(구면기하, 하버사인 공식), 푸앵카레 원판의 …
- 맨해튼 거리
… 한 걸음이 둘 중 하나이므로). 그래서 수들이 비스듬히 누운 파스칼의 삼각형을 이룹니다. 도로망을그래프로 보면 맨해튼 거리는 그 그래프 위의 최단 경로 길이입니다. 한 점에서 택시 거리가 r = 인 점들을 …
- 체비쇼프 거리
… 최단 경로의 수도 이때는 이항계수가 되어 파스칼의 삼각형이 판 위에 나타납니다. 판을 칸이 꼭짓점인그래프로 보면 두 거리 모두 최단 경로의 길이입니다. 평면에서 두 거리는 사실 같은 것을 45° 돌려 본 …
- 보로노이 다이어그램
… 줄이려면 무게중심 대신 좌표별 중앙값으로 옮겨야 합니다. 이어지는 곳. 곧은 거리 대신 도로를 따라 재면그래프의 최단 경로 거리로 나눈 보로노이가 됩니다. 불이 났을 때 어느 소방서가 가장 빨리 닿는지 정하는 …
- 해밍 거리
… 문자열끼리 모서리로 이어집니다. 해밍 거리는 모서리를 따라가는 최단 경로의 길이입니다. 이 정육면체는그래프이고, n비트라면 n차원 정육면체(초입방체)가 됩니다. 한 점에서 거리가 k인 문자열은 n자리 가운데 …
- 편집 거리
… 치환, 분홍(−)은 삭제, 보라(+)는 삽입이고, 아래 두 줄은 그 순서대로 맞춘 정렬입니다. 표를그래프로 보면 더 분명합니다. 칸이 꼭짓점이고, 오른쪽 화살표는 삽입, 아래 화살표는 삭제, 대각선 화살표는 …
- P 대 NP 문제
… 완전임을 보인 뒤로 수천 개가 더해졌습니다. 부분집합 합, 모든 꼭짓점을 한 번씩 지나는 해밀턴 경로,그래프를 세 가지 색으로 칠하기(평면 그래프로 좁혀도 NP 완전이라, 네 가지 색이면 언제나 된다는 ⟦4색 …
- 유한 오토마톤
… 쓰고 오가는 튜링 기계보다 훨씬 약합니다. 그림으로는 상태가 꼭짓점이고 전이가 기호를 단 화살표인 방향그래프입니다. 자판기, 지하철 개찰구, 신호등 제어, 문서에서 낱말 찾기가 모두 이런 기계입니다. 노랗게 칠한 …
- 촘스키 위계
… 옮기는 컴파일러는 이 위계를 그대로 씁니다. 소스 코드를 낱말로 자르는 단계는 정규 표현식, 낱말을그래프인 구문 트리로 묶는 단계는 문맥 자유 문법입니다. 층마다 '알아볼 수 있는가'뿐 아니라 '얼마나 빨리 …
- 문맥 자유 문법
… 하나인 표준 모양으로 바꿔 둡니다). 편집 거리의 표와 같은 생각입니다. 구문 트리는 순환 없이 이어진그래프, 곧 그래프 이론에서 말하는 트리입니다. 한 기호에 규칙이 여럿일 수 있으니 문법은 기호를 기호열 …
- 정규 표현식
… 상태를 하나씩 없애며 화살표에 식을 적어 나가면 됩니다. 오토마톤 그림은 꼭짓점이 상태, 변이 글자인 방향그래프이고, 받아들여지는 문자열은 시작에서 이중 원까지 가는 길입니다. 식을 기계로 바꾸면 처음에는 한 글자에 …
- 은닉 마르코프 모델
… 확률에 −로그를 씌우면 곱이 합으로, 최대가 최소로 바뀌어, 이 계산은 날짜별 상태를 점으로 둔 격자그래프위의 최단 경로 찾기가 됩니다. 한 걸음씩 나아가는 계산은 거리표끼리 곱셈 대신 덧셈을, 덧셈 대신 …
- 비교 언어학
… 가는 가지(노랑)이므로, 그 아래의 언어들은 모두 같은 대응을 물려받습니다. 이런 계통도는 순환이 없는그래프인 나무이고, 오늘날에는 기본 낱말 목록에서 동족어를 공유하는 비율(일종의 자카드 지수)이나 낱말 …
- 역전파
… 방법이 역전파입니다. 아래는 입력 x 하나, 숨은 단위 둘, 출력 하나인 작은 신경망을 계산 순서대로 그린그래프(계산 그래프)입니다. 각 칸의 값은 왼쪽 칸들의 값만으로 정해집니다. z_j = w_j x + …
- 램지 이론
… 사람 사이를 선으로 긋고, 아는 사이면 빨강, 모르는 사이면 파랑으로 칠해 봅시다. 여섯 점을 모두 이은그래프(완전 그래프 K_6 )의 변 15개를 어떻게 칠하든 세 변이 모두 같은 색인 삼각형이 생깁니다. . …
- 확률적 방법
… 반드시 둘 다 (0보다 큰 확률로) 있습니다. 모두가 평균보다 클 수는 없으니까요. 점 개를 모두 이은그래프의 변마다 따로따로 동전을 던져 빨강이나 파랑으로 칠하면, 세 점이 이루는 삼각형 \binom n3 개 …
- 트리
트리는 이어져 있으면서 순환(제자리로 돌아오는 고리)이 없는그래프입니다. 겉보기에 다른 여러 조건이 모두 같은 뜻이라는 점이 트리를 특별하게 만듭니다. 꼭짓점이 n개인 …
- 홀의 정리
… 사람과 일을 두 줄의 꼭짓점으로, '받아들일 수 있다'를 변으로 그리면 변이 두 무리 사이에만 있는 이분그래프가 됩니다. 서로 겹치지 않는 변들의 모음이 매칭 이고, 모든 사람이 일을 얻는 매칭은 사람에서 일로 가는 …
- 최대 흐름 최소 절단 정리
물탱크 s에서 마을 t로 관을 통해 물을 보냅니다. 이음매를 꼭짓점으로, 관을 방향 있는 변으로 그리면그래프가 되고, 관마다 1초에 흘릴 수 있는 양(용량)이 정해져 있습니다. 흐름은 두 규칙을 지켜야 합니다. …
- 위상수학
… 전혀 쓰지 않았습니다. 어느 땅이 어느 땅과 몇 개의 다리로 이어져 있는지만 필요했습니다(오일러 경로,그래프). 오일러는 이것이 라이프니츠가 바랐던 '위치의 기하학'에 속하는 문제라고 적었습니다. 길이도 각도도 …
- 라틴 방진
… 됩니다. 그래프로 보면 n × n 라틴 방진은 가로줄 n개와 세로줄 n개를 꼭짓점으로 하는 완전 이분그래프의 변을 n가지 색으로 칠하되, 한 꼭짓점에서 만나는 변끼리는 색이 겹치지 않게 칠한 것과 같습니다(r행 …
- 자동 미분
… 각 연산의 미분만 알면 연쇄법칙으로 이어 붙여 도함수의 값을 냅니다. 쪼갠 모양이 아래의 계산그래프입니다. v_1 = \ln x_1,\quad v_2 = x_1x_2,\quad v_3 = \sin …
- 라플라시안과 그래프 라플라시안
… 어떻게 돌려 잡아도 \Delta u 의 값은 같습니다. 방향에 치우침이 없는 연산입니다. 그래프의 경우.그래프에서는 변으로 이어진 꼭짓점이 이웃입니다. 이웃 수가 꼭짓점마다 달라서 보통 평균 대신 합을 쓰고 부호를 …