JPH1196134A - 連結グラフの生成方法およびそのプログラム - Google Patents

連結グラフの生成方法およびそのプログラム

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JPH1196134A
JPH1196134A JP25995897A JP25995897A JPH1196134A JP H1196134 A JPH1196134 A JP H1196134A JP 25995897 A JP25995897 A JP 25995897A JP 25995897 A JP25995897 A JP 25995897A JP H1196134 A JPH1196134 A JP H1196134A
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JP
Japan
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equation
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vertexes
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JP25995897A
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English (en)
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Akihiko Takano
明彦 高野
Yoshihiko Futamura
良彦 二村
Masanori Yano
正紀 矢農
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/30Computing systems specially adapted for manufacturing

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望の性質を有するグラフをテストデータと
して生成するため必要な、部分連結グラフの構成比を連
結グラフの総数を計算することなく求める。 【解決手段】 連結グラフをランダムに生成するために
は、連結グラフの総数を計算することで、構成比と呼ば
れる部分連結グラフ数の連結グラフ数に対する比を計算
する必要があったが、本発明では計算の特殊化を行う。
計算の特殊化とは、連結グラフの総数を数える再帰方程
式より導かれる部分連結グラフの構成比を求める式に対
し、プログラム変換を行うことである。 【効果】 構成比を計算する過程で大きな数の発生を回
避できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】近年、シミュレーション技術
の発達により、実際に物を作らずにコンピュータ上で製
品の評価を行う技術が普及してきた。そうした評価を行
う上で、ソフトウェアの評価に必要な性質を有するテス
トデータを一様ランダムに生成することが必要不可欠と
なる。
【0002】順列に関しては、発明者らはデータの特性
を制御したランダムデータ生成方法を特願平8−250
030「特性指標を制御した乱順列生成方法及びそのプ
ログラム」として特許出願し、加えてこのデータの特性
を制御したランダムデータ生成プログラムを自動生成す
る方法を特願平9−550240「ランダムデータジェ
ネレータ生成方法およびそのプログラム」として特許出
願している。
【0003】本発明は、所望の性質を有するグラフをテ
ストデータとして生成するため必要な、部分連結グラフ
の構成比を連結グラフの総数を計算することなく直接求
める方法およびそのプログラムを提案するものである。
【0004】
【従来の技術】従来は、連結グラフをランダムに生成す
るためには、連結グラフの総数を計算することで、構成
比と呼ばれる部分連結グラフ数の連結グラフ数に対する
比を計算する必要があった。
【0005】しかしながら、連結グラフの総数は非常に
大きな数となり、計算機オーバーフローを起こす原因と
なる。この計算機オーバーフローを回避するためには、
多倍長の計算を行うプログラムを作成して用いる必要が
あり、所要計算時間と記憶領域を増やす要因となってき
た。そのため、頂点数と辺数が大きいランダムグラフを
テストデータとして生成することは従来不可能であっ
た。即ち従来は、ソフトウェアの公正な検査をするため
に必要なランダムグラフではなく、偏りのある特殊なデ
ータを用いて不十分な検査を行なわざるを得なかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、部分連結グ
ラフの構成比を、計算機オーバーフローを発生させずに
計算するものである。このような方法は、連結グラフに
関しては過去に例を見ない。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では計算の特殊化を行う。計算の特殊化と
は、連結グラフの総数を数える再帰方程式より導かれる
部分連結グラフの構成比を求める式に対し、プログラム
変換を行うことで、構成比を計算する過程で大きな数が
発生することを回避するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について説明
する。
【0009】図1に、この発明の一実施例によるランダ
ムグラフ生成の全体フロ−を示す。入力手段1からは、
頂点数n、辺数m、出力すべき連結グラフの総数kが入
力される。生成手段2は、これらを受けて、頂点数nか
つ辺数mのランダムグラフ生成に必要な部分連結グラフ
の構成比を計算し、頂点数nかつ辺数mのランダムグラ
フをk個生成して、出力手段3へ渡す。出力手段はこれ
を受けて、任意の媒体に出力する。
【0010】図2に、図1のブロックに示す各機能を、
CPUを用いて実現した場合のハードウェア構成の例を
示す。バスライン11には、入力手段1であるキーボー
ド5、CPU8、ROM9、RAM10、入出力インタ
ーフェース7などが接続されている。CPU8はROM
9、RAM10に記憶されたプログラムに従って、各部
を制御する。
【0011】以下、本発明による部分連結グラフの生成
方法について詳しく述べる。まず、基本的な実施例とし
て、総数Wに対する構成比FをWに依存しない再帰方程
式により直接計算する例について述べる。
【0012】本実施例では、連結グラフの総数を求める
再帰方程式に注目する。ここで対象とする連結グラフ
は、頂点に1,2,,....,nのようにラベル付け
がなされ、多重辺やループを含まない単純な無向グラフ
である。頂点n個かつ辺m本の連結グラフの総数をW
(n,m)とする。このとき、以下の式が成立する。
【0013】
【数1】
【0014】
【数2】
【0015】
【数3】
【0016】
【数4】
【0017】一般のW(n,m)を求めるWormal
dの再帰方程式(参考文献:Wormald, N.
C. : Some Problems in the
Enumeration of Labeled G
raphs, Ph.D.thesis, Unive
rsity of Newcastle, 1978)
を以下に示す。
【0018】
【数5】
【0019】ただし、以下のように定義する。
【0020】
【数6】
【0021】
【数7】
【0022】
【数8】
【0023】この再帰方程式に対応する頂点i個、辺j
本の部分連結グラフの構成比F(n,m,i,j)は以
下のように定義できる。テストデータとして連結グラフ
を作成するためには、以下の構成比の値を求める必要が
ある。
【0024】
【数9】
【0025】
【数10】
【0026】上述の再帰方程式に対し、
【0027】
【数11】
【0028】と定義して、W(n,n)の特殊化を行
う。すなわち、W1(n)に対して変換を施すことで、
計算を行う場合の高性能化を図る。特殊化を行った結果
を以下に示す。
【0029】
【数12】
【0030】
【数13】
【0031】その他の場合、
【0032】
【数14】
【0033】そして、
【0034】
【数15】
【0035】のように定義するR1に対しても同様の特
殊化を行う。その結果を以下に示す。
【0036】
【数16】
【0037】
【数17】
【0038】その他の場合、
【0039】
【数18】
【0040】ただし、以下のように定義する。
【0041】
【数19】
【0042】さらに、
【0043】
【数20】
【0044】のように定義する。Rは、部分グラフの構
成比を求めるために直接必要となる値であるが、これに
対しても同様に特殊化を行う。その結果を以下に示す。
【0045】
【数21】
【0046】
【数22】
【0047】
【数23】
【0048】その他の場合、
【0049】
【数24】
【0050】ただし、
【0051】
【数25】
【0052】と定義する。
【0053】ここで、Rを求める上で必要となるKの計
算方法とプログラム変換の課程を示す。以下では、n,
m,jに関する場合分けを行う。
【0054】(1)条件
【0055】
【数26】
【0056】が成立する場合、
【0057】
【数27】
【0058】である。
【0059】(1)条件
【0060】
【数28】
【0061】が成立する場合、さらにjに関する場合分
けを行う。
【0062】(2.1) 条件
【0063】
【数29】
【0064】が成立するならば、以下の通りである。
【0065】
【数30】
【0066】ただし、
【0067】
【数31】
【0068】と定義する。
【0069】(2.2) 条件
【0070】
【数32】
【0071】が成立するならば、以下の通りである。
【0072】
【数33】
【0073】(2.3) 条件
【0074】
【数34】
【0075】が成立するならば、以下の通りである。
【0076】
【数35】
【0077】(3) 条件
【0078】
【数36】
【0079】に対して、以下が成立する。
【0080】
【数37】
【0081】(4) 条件
【0082】
【数38】
【0083】が成立する場合、以下の通りである。
【0084】
【数39】
【0085】(4) 条件
【0086】
【数40】
【0087】が成立する場合、以下の通りである。
【0088】
【数41】
【0089】(6) その他の場合については、以下の
通りである。
【0090】
【数42】
【0091】部分連結グラフの構成比Fは、R,Kを用
いた以下の式で計算することができる。プログラム変換
の課程とその結果を以下に示す。
【0092】(1) 条件
【0093】
【数43】
【0094】が成立する場合、以下の通りである。
【0095】
【数44】
【0096】
【数45】
【0097】(2) 条件
【0098】
【数46】
【0099】が成立する場合、以下の通りである。
【0100】
【数47】
【0101】
【数48】
【0102】以上の結果に従って、R,KおよびFを計
算することができるが、A1に階乗およびべき乗の計算
が含まれているため、定義通りに計算を行うプログラム
を作成すると、計算機オーバーフローを起こす原因とな
る。これを回避するため、以下のStirlingの公
式を用いて近似を行う。
【0103】
【数49】
【0104】ただし、
【0105】
【数50】
【0106】と定義する。
【0107】上述の公式をA1に対して用いた結果は、
以下の通りである。
【0108】
【数51】
【0109】以上の結果を用いてA1を計算すること
で、計算機オーバーフローを回避することができる。そ
して、R,KおよびFを計算するプログラムを上述の結
果に従って作成することで、計算機オーバーフローを発
生させることなく部分グラフの構成比を求めることがで
きる。
【0110】以下では、構成比Fを用いた部分連結グラ
フのランダム生成について詳しく述べる。
【0111】まず、生成の高速化のため、以下のように
構成比の和Sを定義する。
【0112】
【数52】
【0113】
【数53】
【0114】構成比の和Sの値を表として持つことで、
【0115】
【数54】
【0116】の値を取る一様乱数pを確率とみなして、
対応するiの値、すなわち
【0117】
【数55】
【0118】をみたすiの値を最悪O(n)で求めるこ
とができる。
【0119】Sの値と上述の一様乱数pを用いて、以下
の手順で頂点数nかつ辺数mの連結グラフの一様生成を
行うことができる。頂点数nが2より小さい場合は終了
とする。
【0120】1. k := m とする。
【0121】2. 一様乱数pを発生させて、p<S
(n,k,0)である間k:=k−1とする。
【0122】3. 二分探索法を用いて、一様乱数pに
対応するiの値をSから決定する。
【0123】4. 一様乱数pに対応するjの値をFを
計算して決定する。
【0124】5. ランダムにi個の頂点を選び、頂点
i個で辺j本の連結グラフを再帰的に生成する。
【0125】6. 残りの頂点について、頂点n−i個
で辺k−j−1本の連結グラフを再帰的に生成する。
【0126】7. 2つの連結グラフからそれぞれラン
ダムに頂点v,wを選び、辺(v,w)で連結させる。
【0127】8. 接続していない辺からm−k本の辺
をランダムに選び、接続させる。
【0128】このプログラムによる処理のPAD図を図
3に示す。なお、このアルゴリズムを用いることで、1
個のグラフにつきO(mn)時間の計算量で生成するこ
とが可能である。
【0129】最後に、このプログラムを用いて生成した
ランダム連結グラフに対し、一様性の検定を行った結果
に関して述べる。
【0130】連結グラフが一様に生成されたか否かを検
定するためには、χ自乗検定を用いることができる。す
なわち、連結グラフに1からW(n,m)までの番号を付け、
それらの列に対してχ自乗検定を行えばよい。
【0131】連結グラフの番号付けには、以下の再帰方
程式を用いる。
【0132】
【数56】
【0133】ただし
【0134】
【数57】
【0135】と定義する。
【0136】この式の組合せ的意味について説明する。
任意の連結グラフの頂点1と2に注目し、頂点2から出
る辺を全て取り去ったとき、頂点1と連結している頂点
の数をkとする。これらの頂点からなる部分連結グラフ
をH1、辺の数をiとする。頂点の選び方からH1は連
結グラフとなり、その総数はW(k,i)である。ま
た、頂点2とH1の頂点間の辺数をjとすると、少なく
とも一本は接続しているので、jの値は1以上となる。
そして、H1に含まれないn−k個の頂点のうち、2以
外の頂点はH1の頂点と接続していない。さらに、n−
k個の頂点からなる部分グラフH2は連結グラフとなる
ので、その総数はW(n−k,m−i−j)である。
【0137】また、{1,2,....,n}から{s
(1),s(2),,s(k)}を選ぶ組合せCに対
し、以下の関数によって番号を付けることができる。こ
こでs(j)は昇順であると仮定する。
【0138】
【数58】
【0139】番号付けを行うため、生成した連結グラフ
Gに対し、上述の手順でi,j,kと部分グラフH1,
H2を求める。頂点1,2を除いたn−2個の頂点のう
ち、H1のk−1個の頂点の組合せをC1、H1の頂点
を{1,2,,k}とつけかえ、頂点2と接続している
j本の頂点の組合せをC2とする。各(i,j,k)の
値に対応するグラフの個数はY(n,m,i,j,k)
であるから、以下の関数により番号付けを行うことがで
きる。
【0140】
【数59】
【0141】上述の番号付け関数を用いて、構成比を用
いた生成法、任意のグラフを生成して連結グラフが得ら
れるまで単純に繰り返す方法、木をランダムに生成して
辺を付加していく方法の3方法により、頂点7個、辺8
本の156555種類の連結グラフを合計500000
0個生成し、各々のグラフに番号を付加して作成した数
列に対してχ自乗検定を行った。その結果を図4に示
す。
【0142】数列を乱数列とみなせる範囲は、統計量が
156555から約±791以内に収まることとする目
安から判断して、構成比を用いた生成が良い結果を示し
ているといえる。
【0143】
【発明の効果】上述した方法に従うことで、連結グラフ
のランダム生成を行うことができ、さらに、部分連結グ
ラフの構成比を直接計算することができる。
【0144】本発明により、連結グラフを処理するプロ
グラムの性能および信頼性の検査が飛躍的に容易とな
り、プログラムの生産性向上およびプログラミング教育
に対して多大な貢献をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例によるランダムグラフ生成
の全体フロ−を示す図。
【図2】図1に示すランダムグラフ生成機のハードウェ
ア構成の一例を示す図。
【図3】構成比Fを用いてグラフをランダム生成するプ
ログラムによる処理のPAD図を示す図。
【図4】ランダム生成したグラフに対して行ったχ自乗
検定の結果を示す表。
【符号の説明】
1:入力手段、2:連結グラフ生成手段、3:出力手段
3、5:キーボード、7:入出力インターフェース、
8:CPU、9:ROM、10:RAM、11:バスラ
イン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二村 良彦 東京都日野市平山2−31−16 (72)発明者 矢農 正紀 千葉県千葉市美浜区高洲2−2−8−504

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】部分構造によって再帰的に定義される連結
    グラフ構造において、総数Wに対する構成比Fを用い
    て、与えられた頂点数nおよび辺数mを持つ連結グラフ
    を一様ランダムに生成する方法。
  2. 【請求項2】与えられた頂点数nおよび辺数mを持つ連
    結グラフの一様ランダム生成プログラムにおいて、総数
    Wに対する構成比FをWに依存しない再帰方程式により
    直接計算する計算プログラム。
JP25995897A 1997-09-25 1997-09-25 連結グラフの生成方法およびそのプログラム Pending JPH1196134A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7647215B2 (en) 2003-04-18 2010-01-12 Microsoft Corporation Modeling directed scale-free object relationships
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