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2. Descubriendo el universo de los grafos

1. Los grafos en nuestra vida diaria

¿Alguna vez has jugado a conectar puntos en un papel para dibujar una figura? O quizás, ¿has pensado en la mejor ruta para ir de un lugar a otro en tu ciudad? Si es así, ya has comenzado a pensar en términos de grafos sin siquiera darte cuenta.

¿Qué es un Grafo?
Un grafo es una forma de representar relaciones entre pares de objetos. Estos objetos son llamados nodos (o vértices), y las relaciones entre ellos se representan mediante líneas llamadas aristas. Si imaginamos los nodos como puntos en un mapa, las aristas serían las carreteras o caminos que los conectan.

Grafo sobre mapa.
Captura de Openstreetmap. (CC BY-NC-SA)

La belleza de los grafos radica en su versatilidad. Aquí hay algunos ejemplos de cómo se utilizan en la vida real:

Redes Sociales: en plataformas como Facebook o Twitter, cada usuario puede ser visto como un nodo, y las amistades o seguidores serían las aristas que los conectan. Analizar estos grafos ayuda a entender cómo se difunde la información o cómo se forman las comunidades en línea.

Redes sociales.
Imagen de elaboración propia generada con DALL-E 3. Redes sociales. (CC0)


Sistemas de Navegación: cuando usamos una aplicación para encontrar la ruta más corta entre dos puntos, estamos utilizando algoritmos basados en la teoría de grafos. Los lugares son nodos y las carreteras son aristas, y el algoritmo busca el camino que minimiza tiempo o distancia.

Ruta en mapa
Captura de Openstreetmap. (CC BY-NC-SA)


Internet: toda la estructura de Internet puede considerarse como un enorme grafo, donde los sitios web son nodos y los enlaces entre ellos son aristas. Comprender este grafo es crucial para mejorar la eficiencia de la red y la velocidad de navegación.

Internet.
Imagen de elaboración propia generada con DALL-e 3. Internet. (CC0)

¿Por qué estudiar grafos?
Además de ser increíblemente útiles para resolver problemas reales, los grafos nos ayudan a desarrollar habilidades de pensamiento crítico y analítico. Nos permiten visualizar y modelar complejidades de manera simplificada, ofreciéndonos una poderosa herramienta para entender y mejorar el mundo que nos rodea.

A medida que avancemos, exploraremos cómo construir y analizar grafos, aprenderemos sobre algoritmos específicos para resolver distintos tipos de problemas y veremos cómo esta teoría se aplica en campos muy diversos.

2. El problema de los puentes de Königsberg

El origen de la teoría de grafos se remonta al siglo XVIII, con el famoso problema de los Puentes de Königsberg, considerado uno de los primeros problemas en la historia de la topología y la teoría de grafos. Königsberg, una ciudad ubicada en Prusia (actualmente Kaliningrado, Rusia), estaba atravesada por el río Pregolia y contenía dos grandes islas que estaban conectadas entre sí y con las orillas del río mediante siete puentes.

Königsberg.
Elaboración propia generada con DALL-e 3. Königsberg s. XVIII. (CC BY-NC-SA)

El problema planteado era simple pero intrigante: ¿Era posible pasear por la ciudad cruzando cada uno de los siete puentes una sola vez y volver al punto de partida?

En la imagen de abajo se muestra un esquema del mapa de la ciudad de Königsberg, con el río Pregolia dividiendo el plano en cuatro regiones distintas (A, B, C y D), que están unidas a través de los siete puentes.

Esquema de mapa de Königsberg
Imagen de Xiong en Wikipedia. Los siete puentes de Königsberg. (CC BY-NC-SA)

Este desafío capturó la imaginación de la gente, ya que, a pesar de los intentos, nadie lograba encontrar un camino que satisficiera estas condiciones.

La solución a este problema fue proporcionada por Leonhard Euler, un matemático suizo, en 1736. Euler se dio cuenta de que la ubicación de las tierras y la longitud de los puentes eran irrelevantes para el problema; lo que importaba era simplemente si los puentes podían recorrerse en un camino continuo sin repetir ninguno. Euler abstrajo el problema a una forma que ahora reconocemos como un grafo, donde las masas de tierra (las islas y las orillas del río) se representaban como nodos (o vértices) y los puentes como aristas que conectaban estos nodos.

En la imagen inferior se muestra el grafo correspondiente al esquema del mapa de la ciudad de Königsberg.

Grafo de los puentes de Königsberg
Imagen de Booyabazooka en Wikipedia. Grafo de los siete puentes de Königsberg (CC BY-NC-SA)

Euler demostró matemáticamente que para que exista un camino que pase una sola vez por cada puente (un camino euleriano), no debe haber más de dos nodos con un número impar de aristas. En el caso de los puentes de Königsberg, cada una de las cuatro masas de tierra estaba conectada por un número impar de puentes (tres o cinco), por lo que concluyó que tal camino era imposible.

Este análisis no solo resolvió el problema, sino que también sentó las bases para la teoría de grafos, un campo matemático que estudia las propiedades y aplicaciones de los grafos en diversas áreas como la informática, la ingeniería, la biología y las ciencias sociales. La contribución de Euler al problema de los Puentes de Königsberg es tan fundamental que a menudo se le considera el padre de la teoría de grafos.

3. Comprueba lo que sabes

Después de explorar los conceptos básicos de la teoría de grafos, incluyendo la estructura de nodos y aristas, y la importancia de los grafos en aplicaciones reales como redes sociales, sistemas de navegación, y la planificación de proyectos, has alcanzado el nivel ideal para profundizar y fortalecer tu comprensión. Con una base sólida en estos temas, estás preparado para abordar desafíos más avanzados y perfeccionar tus habilidades de razonamiento y análisis.

Elige entre los ejercicios que se presentan a continuación, y comienza a aplicar tus conocimientos.

Opción A. Despliega y elige

Completa el texto eligiendo la palabra correcta.

En las redes sociales, cada usuario se representa como un , y las conexiones o amistades entre ellos como . Este tipo de grafo ayuda a entender cómo se difunde la información y cómo se forman las comunidades en línea.

Leonhard Euler demostró que para que exista un camino que pase una sola vez por cada puente en Königsberg, debe de haber exactamente  nodos con un número impar de aristas, lo cual no se cumplía en el caso de los puentes de Königsberg.

Una de las aplicaciones más interesantes de la teoría de grafos en la vida cotidiana es en los , donde se utilizan para calcular la ruta más corta entre dos puntos.

 

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Opción B. La red social

Pregunta

Álex y su grupo de estudio están conectados a través de una red social para compartir apuntes y discusiones. Aquí se muestran Álex y sus conexiones con el grupo de estudio. Una línea entre dos personas indica que comparten apuntes y discusiones entre sí. Por ejemplo, Antonio comparte apuntes con Álex, pero Lorena no comparte apuntes directamente con Álex.

Grafo de red social
Imagen de elaboración propia (CC BY-NC-SA)

Si alguien publica un apunte, solo aquellos con quienes comparte directamente pueden verlo y responder a la discusión.
Si alguien responde a una discusión, todos sus contactos directos pueden ver la respuesta y el apunte original, pero no pueden participar en la discusión a menos que originalmente tuvieran acceso. Álex ha preparado un apunte importante. ¿Con quién puede compartirlo si desea evitar que Rafael lo vea?



Respuestas

Natalia, Eusebio, Pedro

Natalia, Almudena, Antonio

Natalia, Antonio, Juan

Natalia, Carmen, Almudena

Retroalimentación

Opción C. Cruzando puentes

Pregunta

Una ciudad está dividida por un río en el cual se distribuyen ocho islotes, cada uno de ellos interconectados mediante una red de puentes que también enlazan con ambas riberas.

Ciudad atravesada por un río
Imagen de elaboración propia (CC BY-NC-SA)

Estos puentes están habilitados para el tránsito vehicular y disponen de dos carriles que permiten la circulación bidireccional. Las orillas del río están designadas con las letras "A" y "B", respectivamente, y los números anotados junto a cada puente representan el tiempo estimado en minutos para su travesía. Se plantea la siguiente cuestión: ¿Cuál es el tiempo mínimo requerido para cruzar de una orilla a la otra?

Respuestas

30 minutos

28 minutos

29 minutos

Retroalimentación

Opción D. Encuentra el tesoro

Pregunta

Durante siglos, la leyenda del tesoro de Al-Ándalus ha fascinado tanto a buscadores de misterios como a aventureros. Cuenta la tradición que un califa, enfrentándose a su inminente caída, ocultó un vasto tesoro de oro y joyas en una provincia andaluza.

Mapa de Andalucía.
Imagen de Mao06 en Wikimedia Commons. Andalucía por provincias. (CC BY-NC-SA)

Recientemente, se ha hallado un grafo enigmático entre las páginas de un manuscrito antiguo. Dicho grafo, trazado con meticulosa exactitud, establece las conexiones entre distintas ciudades andaluzas y presenta, en su centro, un nodo sobresaliente rotulado "Tesoro". En la siguiente escena se muestra una representación interactiva de dicho grafo en la que puedes arrastrar los vértices en cualquier dirección.

Autor: Antonio Ruiz Murcia. Grafo provincias andaluzas (CC BY-NC-SA)

Bajo el supuesto de que cada nodo simboliza una provincia de Andalucía y cada arista indica que las provincias que representa son limítrofes, ¿en qué provincia se hallaría el tesoro?

Sugerencia

Trata de mover los nodos en el grafo interactivo de manera que queden las capitales colocadas como se encuentran en realidad en el mapa de Andalucía, te puede ayudar el número de enlaces que tiene cada nodo con sus nodos vecinos, fíjate en el mapa las provincias vecinas de cada una.

Respuestas

Sevilla

Granada

Córdoba

Retroalimentación

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