Hamilton-körök és DNS molekulák

Átírás

1 GoBack

2 Hamilton-körök és DNS Tengely Szabolcs november 4 tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 1

3 Gráfok Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása G = (V,E) egyszerű gráf, ha V egy véges halmaz és E ( V 2), V elemei a G gráf csúcsai, E elemei a G gráf élei, (a,b)-út: a = x 0,e 1,x 1,...,e n,x n = b sorozat, ahol x i x j,i j esetén, kör: a = x 0,e 1,x 1,...,e n,x 0 = a sorozat, ahol az x 0,x 1,...,x n 1 csúcsok és az e 1,e 2,...,e n élek páronként különbözőek, Hamilton-út: olyan G-beli út, amely G minden pontját tartalmazza, Hamilton-kör: olyan G-beli kör, amely G minden pontját tartalmazza. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 2

4 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

5 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

6 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} élek halmaza: {(0, 1), (0, 2),..., (10, 11)} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

7 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} élek halmaza: {(0, 1), (0, 2),..., (10, 11)} (0, 11)-út: tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

8 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} élek halmaza: {(0, 1), (0, 2),..., (10, 11)} (0, 11)-út: kör: tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

9 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} élek halmaza: {(0, 1), (0, 2),..., (10, 11)} (0, 11)-út: kör: Hamilton-út: tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

10 Példa Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása csúcsok halmaza: {0, 1,...,11} élek halmaza: {(0, 1), (0, 2),..., (10, 11)} (0, 11)-út: kör: Hamilton-út: Hamilton-kör: Tétel.(Dirac, 1952) Legyen G n-pontú egyszerű gráf, ahol n 3. Ha G-ben minden pont foka legalább n/2, akkor G-ben van Hamilton-kör. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 3

11 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

12 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

13 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, 2. minden út esetében vizsgáljuk meg: tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

14 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, 2. minden út esetében vizsgáljuk meg: a az út a megfelelő ponttal kezdődik és a megfelelő pontban végződik, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

15 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, 2. minden út esetében vizsgáljuk meg: a az út a megfelelő ponttal kezdődik és a megfelelő pontban végződik, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, b az út pontosan n csúcson megy át, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

16 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, 2. minden út esetében vizsgáljuk meg: a az út a megfelelő ponttal kezdődik és a megfelelő pontban végződik, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, b c az út pontosan n csúcson megy át, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, minden csúcson átmegy, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

17 Nehéz dió Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Nem létezik effektív algoritmus Hamilton-út keresésére. Adott egy G gráf n csúccsal. 1. Generáljunk utakat G-ben, 2. minden út esetében vizsgáljuk meg: a az út a megfelelő ponttal kezdődik és a megfelelő pontban végződik, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, b c az út pontosan n csúcson megy át, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, minden csúcson átmegy, ha nem, hagyjuk ki az utat a halmazból, 3. ha maradt út, akkor létezik Hamilton-út G-ben. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 4

18 DNS Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 5

19 DNS Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adenine(A), Cytosine(C), Guanine(G), Thymine(T) csak A-T, C-G kapcsolódások fordulnak elő tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 5

20 Kódolás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adleman, 1994: 7 csúcs, 14 él, 20 hosszú DNS láncok. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 6

21 Kódolás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adleman, 1994: 7 csúcs, 14 él, 20 hosszú DNS láncok. A mi leegyszerűsített példánkban: Miskolc: AAAAGGGG Budapest: CCCCTTTT Szeged: AGAGCTCT Debrecen: GAGATCTC tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 6

22 Kódolás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adleman, 1994: 7 csúcs, 14 él, 20 hosszú DNS láncok. A mi leegyszerűsített példánkban: Miskolc: AAAAGGGG Budapest: CCCCTTTT Szeged: AGAGCTCT Debrecen: GAGATCTC Miskolc-Budapest él: CCCCGGGG Miskolc-Szeged él: CCCCTCTC Miskolc-Debrecen él: CCCCCTCT tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 6

23 Megoldás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Miskolcról kiindulva keresünk Hamilton-kört, minden kódoló molekula hossza 8, így 40 hosszú at keresünk. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 7

24 Megoldás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Miskolcról kiindulva keresünk Hamilton-kört, minden kódoló molekula hossza 8, így 40 hosszú at keresünk. Egy megoldást meghatározó molekula: CCCC CTCT AGAG TTTT CCCC CTCT AGAG TTTT AAAA GGGG GAGA TCTC AAAA GGGG GAGA TCTC AAAA GGGG Miskolc-Debrecen-Budapest-Szeged-Miskolc. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 7

25 Megoldás Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Miskolcról kiindulva keresünk Hamilton-kört, minden kódoló molekula hossza 8, így 40 hosszú at keresünk. Egy megoldást meghatározó molekula: CCCC CTCT AGAG TTTT CCCC CTCT AGAG TTTT AAAA GGGG GAGA TCTC AAAA GGGG GAGA TCTC AAAA GGGG Miskolc-Debrecen-Budapest-Szeged-Miskolc. Nem megoldás, de megfelelő hosszúságú: CCCC CTCT AGAG GGGG AAAA TCTC GAGA TTTT AAAA GGGG GAGA TCTC CCCC TTTT AGAG CTCT AAAA GGGG Miskolc-Debrecen-Miskolc-Debrecen-Miskolc tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 7

26 Hossz - Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adlemannak meg kellett határoznia a sorozatokat, hogy eldöntse a Hamilton-út létezésének kérdését. (Időigényes) Viszont pozitív válasz esetén konstruktív eljárás! tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 8

27 Hossz - Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adlemannak meg kellett határoznia a sorozatokat, hogy eldöntse a Hamilton-út létezésének kérdését. (Időigényes) Viszont pozitív válasz esetén konstruktív eljárás! Frisco, Henkel, Tengely (2004): Hamilton-út létezésének eldöntése megfelelő hosszúságú DNS lánc jelenléte alapján. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 8

28 Hossz - Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Adlemannak meg kellett határoznia a sorozatokat, hogy eldöntse a Hamilton-út létezésének kérdését. (Időigényes) Viszont pozitív válasz esetén konstruktív eljárás! Frisco, Henkel, Tengely (2004): Hamilton-út létezésének eldöntése megfelelő hosszúságú DNS lánc jelenléte alapján. Kódolás megváltoztatása, azonos hosszúságú helyett speciálisan megválasztott DNS láncok. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 8

29 S 1 n halmazok Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Az S 1 n halmaz olyan {a 1,...,a n } halmazokból áll, amelyekre teljesül, hogy az a 1 x 1 + a 2 x a n x n = a 1 + a a n egyenletnek csak a triviális x i = 1 megoldása van, ahol x i 0 egész. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 9

30 S 1 n halmazok Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Az S 1 n halmaz olyan {a 1,...,a n } halmazokból áll, amelyekre teljesül, hogy az a 1 x 1 + a 2 x a n x n = a 1 + a a n egyenletnek csak a triviális x i = 1 megoldása van, ahol x i 0 egész. {4, 6, 7} S 1 3, mert a 4x 1 + 6x 2 + 7x 3 = 17 egyenlet egyetlen megoldása az x 1 = x 2 = x 3 = 1, tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 9

31 S 1 n halmazok Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Az S 1 n halmaz olyan {a 1,...,a n } halmazokból áll, amelyekre teljesül, hogy az a 1 x 1 + a 2 x a n x n = a 1 + a a n egyenletnek csak a triviális x i = 1 megoldása van, ahol x i 0 egész. {4, 6, 7} S 1 3, mert a 4x 1 + 6x 2 + 7x 3 = 17 egyenlet egyetlen megoldása az x 1 = x 2 = x 3 = 1, {3, 5, 7} / S 1 3, mert x 1 = 0,x 2 = 3,x 3 = 0 is megoldás. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 9

32 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

33 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

34 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

35 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. G 1 = {1} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

36 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. G 1 = {1} G 2 = {2, 3} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

37 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. G 1 = {1} G 2 = {2, 3} G 3 = {4, 6, 7} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

38 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. G 1 = {1} G 2 = {2, 3} G 3 = {4, 6, 7} G 4 = {8, 12, 14, 15} tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

39 S 1 n Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Tétel. Ha h H Sn 1, akkor n h/ Bizonyítás. Tegyük fel, hogy n > h/ Ekkor a skatulyaelv miatt léteznek h i,h j H,h i h j, amelyekre h i + h j 0 mod h. Ellentmondás. Legyen G n = n i=1 {2n 2 n i }. G 1 = {1} G 2 = {2, 3} G 3 = {4, 6, 7} G 4 = {8, 12, 14, 15} Tétel. Minden pozitív egész n-re G n S 1 n. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 10

40 G n alkalmazása Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Az egyszerű Budapest-Debrecen-Miskolc-Szeged példánkban Debrecen-Szeged Hamilton-út létezésének kérdése esetén használhatjuk G n elemeit, mint a csúcsok kódjait: tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 11

41 G n alkalmazása Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Az egyszerű Budapest-Debrecen-Miskolc-Szeged példánkban Debrecen-Szeged Hamilton-út létezésének kérdése esetén használhatjuk G n elemeit, mint a csúcsok kódjait: Budapest - 8 Debrecen - 12 Miskolc - 14 Szeged - 15 Egy Hamilton-utat reprezentáló molekula hossza 49 lenne, ha létezik ilyen hosszú molekula, akkor létezik Debrecen-Szeged Hamilton-út és nem szükséges "dekódolni" a DNS láncokat. tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 11

42 Gráfok Példa Nehéz dió DNS Hossz - S 1 n G n alkalmazása Köszönöm a figyelmet! tengely@math.klte.hu KöMaL Ifjúsági Ankét 2005 slide 12