Grafos simples en situaciones prácticas

Guía para representar problemas mediante vértices, aristas, listas de adyacencia, grados y matrices de adyacencia.

1. ¿Qué vamos a aprender?

Vértices (V)
Representan objetos, personas, lugares, equipos o puntos de una situación.
Aristas (E)
Representan relaciones o conexiones entre dos vértices.
Lista de adyacencias
Para cada vértice se anotan los vértices que están conectados directamente con él.
Grado
Es la cantidad de aristas incidentes en un vértice.
Idea clave: primero identificamos los objetos y las relaciones del problema; después construimos el grafo y obtenemos sus diferentes representaciones.

2. ¿Cuándo conviene usar una matriz de adyacencia?

La matriz de adyacencia es especialmente útil cuando necesitamos trabajar con un grafo de manera organizada, comparar rápidamente muchas parejas de vértices o procesar el grafo mediante un programa o algoritmo.

1. Comprobar conexiones

Permite saber rápidamente si existe una conexión directa entre dos vértices.

2. Grafos pequeños o medianos

Es cómoda cuando podemos organizar todos los vértices en filas y columnas.

3. Trabajo con algoritmos

Los computadores pueden consultar la matriz para analizar conexiones y recorridos.

4. Contar conexiones

En un grafo simple no dirigido, la suma de los valores de una fila corresponde al grado de ese vértice.

Importante: para un grafo simple no dirigido, la matriz es cuadrada, es simétrica y su diagonal principal contiene 0, porque no existen lazos.

3. Ejemplo resuelto: transporte entre cuatro lugares

Supongamos cuatro lugares de una ciudad: A (Colegio), B (Biblioteca), C (Parque) y D (Terminal). Una conexión significa que existe una ruta directa entre dos lugares.

Vértices
V = {A, B, C, D}
Aristas
E = {{A,B}, {A,C}, {B,C}, {B,D}}
Lista de adyacencias
A: B, C
B: A, C, D
C: A, B
D: B
Lista de grados
deg(A)=2
deg(B)=3
deg(C)=2
deg(D)=1

Matriz de adyacencia del ejemplo

ABCD
A0110
B1011
C1100
D0100
Observación: la fila de B contiene tres unos. Por eso deg(B)=3. Además, la matriz es simétrica: lo que aparece en la posición A-B también aparece en B-A.

4. Cinco casos prácticos para resolver

En cada situación el estudiante debe construir: 1) lista de vértices, 2) lista de aristas, 3) lista de adyacencias y 4) lista de grados de cada vértice. Después puede construir la matriz de adyacencia si el docente lo solicita.

Caso 1 — El colegio

Un colegio tiene cinco espacios: Entrada (E), Biblioteca (B), Laboratorio (L), Patio (P) y Salón de tecnología (T). Se consideran conexiones directas entre espacios cuando existe un recorrido habitual entre ellos.

Conexiones: E-B, E-P, B-L, B-T, L-T, P-T.

Reto: construye V, E, la lista de adyacencias y el grado de cada espacio. ¿Cuál es el vértice de mayor grado?

Caso 2 — Transporte urbano

Considera cinco puntos de una ruta urbana: Portal (P), Centro (C), Museo (M), Universidad (U) y Terminal (T). Una arista representa una conexión directa entre dos puntos.

Conexiones: P-C, P-U, C-M, C-U, M-T, U-T.

Reto: determina V, E, adyacencias y grados. Identifica el punto con mayor grado.

Caso 3 — Red de amistades

En un grupo se estudian las amistades directas entre Ana (A), Beto (B), Carla (C), Diana (D), Elena (E) y Felipe (F). Una arista significa que dos estudiantes tienen una amistad directa.

Relaciones: A-B, A-C, A-D, B-E, C-E, D-F, E-F.

Reto: construye las cuatro listas. ¿Quién tiene mayor número de amistades directas?

Caso 4 — Red de Internet

Una pequeña red contiene Router (R), PC1, PC2, Servidor (S) e Impresora (I). Una arista representa una conexión directa entre dos dispositivos.

Conexiones: R-PC1, R-PC2, R-S, PC1-I, PC2-S.

Reto: determina V, E, adyacencias y grados. ¿Qué dispositivo tiene mayor grado?

Caso 5 — Entrega de mensajería

Una empresa de mensajería trabaja con cinco puntos: Centro de distribución (C), Zona Norte (N), Zona Centro (Z), Zona Sur (S) y Zona Occidente (O). Una arista representa una conexión directa utilizada para distribuir paquetes entre dos puntos.

Conexiones: C-N, C-Z, C-S, C-O, N-Z, S-O.

Reto: construye las cuatro listas. Determina cuál es el vértice de mayor grado y explica qué significa en el contexto de la mensajería.

5. ¿Cuál representación conviene usar?

Representación¿Para qué sirve?Pregunta que ayuda a responder
Grafo dibujadoObservar visualmente la estructura.¿Cómo están conectados los elementos?
Lista de vérticesIdentificar todos los objetos.¿Qué elementos participan?
Lista de aristasEnumerar todas las conexiones.¿Qué parejas están conectadas?
Lista de adyacenciasVer las conexiones de cada vértice.¿Con quién está conectado cada elemento?
Lista de gradosMedir cuántas conexiones tiene cada vértice.¿Cuál tiene más o menos conexiones?
Matriz de adyacenciaRepresentar todas las parejas en una tabla numérica y facilitar el procesamiento computacional.¿Existe conexión directa entre X e Y?

6. Actividad de cierre

  1. Escoge uno de los cinco casos.
  2. Escribe el conjunto de vértices V.
  3. Escribe el conjunto de aristas E.
  4. Construye la lista de adyacencias.
  5. Calcula el grado de cada vértice.
  6. Identifica el vértice de mayor grado y explica su significado en el problema.
  7. Construye la matriz de adyacencia.
  8. Comprueba que la matriz es simétrica y que la suma de cada fila coincide con el grado correspondiente.
Pregunta para discutir: ¿Qué ventaja tiene mirar la matriz cuando el grafo tiene muchos vértices y muchas conexiones?