SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015 T - 37
Konstruksi Graf Berarah Menggunakan Struktur Repeat Ikhsanul Halikin FMIPA Universitas Jember
[email protected]
Abstrak—Dalam perkembangan teknologi jaringan komunikasi, perancangan jaringan skala besar yang optimal atau dengan batasan tertentu merupakan suatu keharusan. Jika dalam perancangan suatu jaringan diberikan suatu batasan sebagai berikut: jumlah simpul pada jaringan sebanyak mungkin, jumlah hubungan yang disambungkan ke suatu simpul ditentukan, dan rute komunikasi antara dua sebarang simpul pada jaringan dibuat sependek mungkin maka permasalahannya adalah bagaimanakah membangun jaringan yang demikian. Teori graf sebagai salah satu cabang matematika diskrit dapat digunakan untuk memodelkan perancangan jaringan dengan batasan tersebut. Dalam teori graf, permasalahan ini dikenal dengan degree/diameter problem yaitu bagaimana membangun sebuah graf berarah besar dengan batasan tertentu. Batasan ini kemudian dikenal dengan nama out-degree (derajat keluar), diameter, dan orde. Graf berarah dengan batasan orde terbesar dikenal dengan nama graf beraarah Moore, yaitu graf berarah yang batas atasnya mencapai batas atas Moore. Untuk mengetahui keberadaan sebuah graf berarah dengan derajat keluar , diameter , dan orde tertentu atau mendekati batas atas Moore, salah satu jalan yaitu dengan mengkonstruksi graf berarah tersebut. Penelitian tentang konstruksi graf berarah sudah banyak dilakukan oleh peneliti lainnya. Dalam artikel ini, akan dibahas mengenai bagaimana membangun graf berarah berdiameter dan derajat keluar menggunakan struktur Kata kunci: konstruksi, diameter, out-degree, orde, repeat
I.
PENDAHULUAN
Teori graf merupakan cabang matematika diskrit yang dapat diaplikasikan secara luas dalam kehidupan sehari-hari. Pada dasarnya graf diaplikasikan untuk memodelkan suatu fenomena atau permasalahan yang dapat dipandang sebagai kumpulan obyek dan relasi diantara obyek-obyek tersebut. Model yang dihasilkan berupa diagram yang terdiri dari titik (representasi obyek) dan sisi (representasi relasi). Contohnya, untuk menyelesaikan persoalan jalur transportasi yang menghubungkan tempat-tempat tertentu, seringkali digambarkan dengan bulatan untuk memvisualisasikan tempat dan garis untuk memvisualisasikan jalur / jalan. Representasi semacam ini juga merupakan suatu representasi dari graf. Selain itu, graf juga digunakan untuk memodelkan perancangan jaringan komunikasi yang optimal dipandang dari segi ukuran maupun kinerja dari jaringan yang dihasilkan. Dalam pemodelan tersebut, tiap elemen pemroses pada jaringan direpresentasikan oleh titik dan koneksi di antara dua elemen pemroses direpresentasikan oleh sisi atau sisi berarah (dalam kasus koneksi berarah). Secara umum perancang jaringan menginginkan hasil rancangan yang berukuran besar dalam artian jaringan yang dihasilkan memuat banyak komputer atau elemen pemroses. Pada kasus jaringan berarah, ukuran suatu jaringan ditentukan oleh jumlah koneksi yang meninggalkan setiap elemen pemroses (derajat keluar) dan jarak terjauh di antara sebarang dua elemen pemroses (diameter). Pengaruh derajat keluar terhadap besarnya jaringan tampak pada model jaringan (graf berarah complete dengan derajat keluar dan jumlah titik ), sedangkan pengaruh diameter terhadap besarnya jaringan tampak pada model jaringan (graf berarah cycle dengan diameter dan jumlah titik ). Semakin besar jumlah koneksi pada suatu elemen pemroses akan mengakibatkan beban kerja yang semakin berat pada elemen pemroses tersebut dan semakin jauh jarak di antara sebarang dua elemen pemroses akan mengakibatkan semakin banyak waktu yang diperlukan dalam mengalirkan informasi di antara dua elemen pemroses tersebut. Dengan mempertimbangkan besarnya derajat keluar dan diameter suatu jaringan, maka dan bukanlah model jaringan yang ideal untuk dipergunakan. Dengan mempergunakan model jaringan , komputer dengan performa tinggi dibutuhkan untuk mengimbangi
437
ISBN. 978-602-73403-0-5
beban kerja yang ditimbulkan oleh besarnya jumlah koneksi dan dengan mempergunakan model jaringan , maka diperlukan waktu yang lama dalam mengalirkan informasi dari suatu komputer ke komputer terjauh. Apalagi pada model jaringan star yang hanya menjadikan satu komputer sebagai pusat data, akan lebih membutuhkan komputer dengan performa tinggi. Jika tidak, komputer yang berfungsi sebagai pusat data akan berjalan lambat dan mudah terjadi kemacetan. Bila jaringan dimodelkan sebagai graf, maka parameter bagi ordo (jumlah titik) graf ada dua: derajat dan diameter. Derajat adalah jumlah koneksi pada sebuah titik. Diameter adalah jarak terjauh di antara sebarang dua titik. Pada kasus koneksi berarah, derajat sebuah titik dibedakan menjadi derajat keluar dan derajat masuk. Derajat keluar adalah jumlah koneksi yang meninggalkan sebuah titik. Derajat masuk adalah jumlah koneksi yang menuju sebuah titik. Dengan mempertimbangkan dua parameter dari ukuran graf berarah, maka persoalan bagaimana merancang jaringan berarah dengan ukuran yang besar berarti mencari berapa ukuran maksimal dari graf berarah dengan diberikan derajat keluar dan diameter tertentu. Dalam teori graf, khususnya dalam studi keberadaan graf berarah besar, ada tiga masalah penting yang perlu diketahui. Masalah ini dikenal dengan nama three optimal problems. Ketiga masalah tersebut yaitu : 1. Masalah derajat/diameter yaitu masalah pencarian suatu graf sedangkan yang diketahui berdiameter , dan derajat keluar maksimum titiknya tidak melebihi , sehingga diperoleh titik sebanyakbanyaknya. 2. Masalah orde/derajat yaitu masalah pencarian suatu graf berarah yang diketahui berorde , dan derajat keluar maksimum titiknya tidak melebihi , sehingga diperoleh diameter yang sekecilkecilnya. 3. Masalah orde/diameter yaitu masalah pencarian suatu graf berarah yang diketahui berdiameter , dan berorde , sehingga diperoleh derajat keluar sekecil mungkin. Dari ketiga masalah tersebut, banyak penelitian yang hanya difokuskan pada masalah pertama yaitu tentang masalah derajat/diameter. Penelitian tentang degree diameter problem menghasilkan dua kegiatan penelitian yang utama, yaitu mengkonstruksi graf berarah dengan ordo lebih besar dari ordo graf berarah yang telah ada dan membuktikan ketiadaan graf berarah dengan ordo mendekati atau sama dengan batas Moore (jumlah titik atau ordo maksimal dari graf berarah dengan derajat keluar dan diameter yang dinotasikan ). Dengan kedua kegiatan penelitian tersebut diharapkan rancangan jaringan komunikasi yang optimal bisa ditemukan. Dalam pencarian graf berarah yang diketahui diameter dan derajat keluarnya, jumlah titik dalam jangkauan terbesar mempunyai batas atas yang disebut dengan batas Moore. Batas Moore ini pertama kali di perkenalkan E. F. Moore. Pada [1], rumus batas atas Moore adalah sebagai berikut (1) dengan adalah banyaknya titik yang dapat dicapai oleh suatu graf berarah dengan derajat keluar maksimum d dan diameter k. Ruas kanan pada (1) dinotasikan dengan yang selanjutnya disebut dengan batas Moore. Jika maka graf berarah yang terbentuk disebut graf berarah Moore. Menurut [2] graf berarah Moore hanya dicapai jika (graf berarah cycle) atau (graf berarah complete). Sehingga untuk dan batas atas orde graf berarah dengan derajat keluar maksimum dan diameter kurang dari batas Moore. Ketidakberadaan graf berarah Moore inilah yang mendorong peneliti lainnya untuk mencari keberadaan graf berarah yang mendekati batas Moore salah satunya dengan mengkonstruk graf berarah yang diinginkan. Ada banyak cara untuk mengkonstruksi graf, diantaranya menggambar dengan tangan, menggunakan program komputer, menggunakan spesifikasi aljabar dan menggunakan graf yang sudah ada untuk mencari graf baru dengan teknik tertentu. Beberapa metode sudah banyak diperkenalkan oleh peneliti lainnya seperti teknik konstruksi graf berarah Kautz [3], graf berarah garis [4], teknik penghapusan titik [5], dan lain-lain. Dalam makalah ini, peneliti akan memaparkan sifat-sifat dari struktur repeat dan bagaimana membangun graf berarah menggunakan informasi struktur repeatnya.
II.
METODE PENELITIAN
Dalam penelitian ini, rancangan penelitian yang telah disusun adalah sebagai berikut. Pertama-tama peneliti akan merumuskan definisi dari suatu repeat pada graf berarah dengan mengacu pada [6] dan [5]. Selanjutnya akan dirumuskan sifat-sifat yang melekat secara umum pada struktur repeat dengan kriteria
438
SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015
tertentu. Dalam penyusunan sifat struktural repeat graf berarah ini peneliti menggunakan metode deduktif aksiomatik dan brute-force. Terakhir, dengan sifat struktural repeat graf berarah tersebut akan dipaparkan langkah-langkah membangun graf berarah menggunakan struktur repeat. III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebuah graf berarah disebut graf berarah Moore jika jumlah titik pada graf berarah tersebut mencapai batas Moore. Jika setiap titik dari graf berarah tersebut dibuat spanning treenya, maka titik yang dicapai dengan jarak maksimal adalah berbeda dengan diameter dari graf berarah tersebut. Lain halnya dengan graf berarah yang bukan graf berarah Moore. Untuk graf tersebut, jika setiap titik pada graf berarah itu dibuat spanning treenya, maka akan ada beberapa titik yang sama yang dicapai oleh titik tertentu dengan jarak maksimal . Dalam istilah graf, titik-titik yang sama tersebut kemudian dikenal dengan konsep repeat. Sebuah titik pada graf berarah disebut repeat dari titik jika untuk setiap titik pada graf berarah tersebut ada dua lintasan dari ke dengan dengan panjang lintasan tidak melebihi diameter dan adalah defect dari graf berarah tersebut. Sebagai contoh jika adalah graf berarah kurang 1 dari batas Moore maka merupakan repeat titik jika ada tepat satu titik sedemikian hingga ada dua lintasan dari ke dengan panjang lintasan tidak melebihi diameter . Demikian pula jika misalkan adalah graf berarah kurang 2 dari batas Moore maka dan di (tidak harus berbeda) merupakan repeat titik jika ada dua lintasan dari ke untuk dengan panjang lintasan tidak melebihi diameter . Jika maka disebut selfrepeat sedangkan untuk yang lainnya disebut non-selfrepeat. Secara umum, struktur repeat graf berarah dengan orde Md,k − δ memiliki tiga tipe repeat yaitu: selfrepeat (i), selfrepeat dan non-selfrepeat (ii), dan nonselfrepeat (iii). Dalam makalah ini, ada beberapa notasi yang akan digunakan berhubungan dengan struktur graf berarah, yaitu dan . Penjelasan dari notasi - notasi tersebut adalah sebagai berikut (lihat Gambar 1). Pada graf berarah , didefinisikan sebagai keluarga himpunan semua titik akhir pada lintasan berarah di dengan panjang paling besar yang dimulai dari u dengan . didefinisikan sebagai himpunan semua titik akhir pada lintasan berarah di dengan panjang yang dimulai dari . Jika , himpunan merepresentasikan ketetanggaan ke luar dari titik pada graf berarah yaitu .
u1
u3 ...
u2
GAMBAR 1 ILUSTRASI DARI
ud
DAN
.
Sebelum dipaparkan langkah-langkah membangun graf berarah menggunakan struktur repeat, maka terlebih dahulu akan dibahas mengenai sifat-sifat dari struktur repeat tersebut. Sifat-sifat tersebut akan dijelaskan dengan lemma-lemma berikut. Lemma 1. Misalkan adalah graf berarah kurang dari batas Moore dengan derajad keluar d dan diameter k. Jika dan u adalah self repeat maka jarak . Bukti: Misalkan graf berarah dibuat spanning treenya dimulai dari titik dan andaikan bahwa jarak . Tanpa kehilangan sifat umumnya misalkan sebanyak – titik berjarak dengan dan satu titik u berjarak – dari titik . Maka maka banyaknya titik di yang dapat dicapai dengan jarak maksimal adalah :
439
ISBN. 978-602-73403-0-5
Tetapi, ada satu sebagai self repeat yang berjarak – dari titik . Sehingga, ada elemen di yang menjadi elemen di . Akibatnya, banyaknya elemen yang berbeda pada multiset adalah . Jelas ini kontradiksi dengan fakta bahwa merupakan graf berarah kurang batas Moore. Lemma 2. Misalkan diameter dan dalam
dari
adalah graf berarah kurang dari batas Moore dengan dan derajad keluar , . Jika dan adalah repeat titik maka dua titik tidak berada
Bukti: Misalkan graf berarah dibuat spanning treenya dimulai dari titik dan andaikan bahwa dua titik berada dalam . Tanpa kehilangan sifat umumnya misalkan dua titik Maka maka banyaknya titik di yang dapat dicapai dengan jarak maksimal adalah :
Tetapi, dua titik Oleh karenanya, ada elemen yang sama di yaitu dua titik dan . Akibatnya, banyaknya elemen yang berbeda di adalah . Ini kontradiksi dengan fakta bahwa merupakan graf berarah kurang dari batas Moore dengan . Akibat lemma di atas adalah sebagai berkut. Akibat 1. Misalkan adalah graf berarah kurang dari batas Moore dengan dan derajad keluar , diameter dan . Jika dan adalah repeat titik serta maka dua titik tidak berada dalam dengan Konsep repeat sangat penting dalam menggali informasi tentang graf berarah khususnya dalam membangun graf berarah. Gambar 2 berikut, merupakan salah satu contoh struktur repeat dengan tiga macam tipe repeat untuk graf berarah mendekati dua dari batas Moore dengan derajad keluar d dan diameter k. u
u
u
r1(u)
r (u)
u
u
r (u)
r2(u)
u
r1(u)
r2(u)
GAMBAR 2: CONTOH STRUKTUR REPEAT GRAF BERARAH DENGAN ORDER
Dengan mengetahui strukturnya, suatu graf berarah teratur maupun tidak teratur juga bisa dibangun. Suatu graf berarah dikatakan graf berarah teratur jika derajad keluar dan derajad masuknya sama. Untuk membangun graf berarah menggunakan struktur repeat, langkah pertama yang harus dilakukan adalah menentukan graf berarah yang akan dibangun (besarnya derajat keluar , diameter , dan jumlah titiknya). Selanjutnya menentukan tipe repeat yang akan digunakan terhadap titik yang akan dijadikan acuan. Untuk lebih memudahkan, titik-titiknya diberi label . Lebih mudahnya, titik 1 dijadikan sebagai titik acuan. Langkah selanjutnya adalah menentukan out-neighbourhood dari titik-titik . Penentuan out-neighbourhood ini tetap mengacu pada tipe repeat yang sudah ditentukan. Tentunya juga harus tetap menjaga agar semua titik pada graf berarah dapat dicapai dengan jarak maksimal diameternya. langkah terakhir adalah menggambar graf berarah tersebut. Jika dan graf berarah yang akan dibangun adalah graf berarah defect satu, metode ini mudah untuk diterapkan. Apalagi jika tipe repeatnya adalah selfrepeat, graf berarah yang dihasilkan akan isomorfis dengan graf berarah hasil teknik konstruksi Kautz. Jika graf berarahnya berdefect dua, kesulitannya adalah dalam menentukan out-neighbourhood pada langkah . Gambar 3 merupakan salah satu graf berarah reguler diantara 5 graf berarah reguler yang tidak isomorfis dengan orde – . Pada gambar (i), tipe repeat yang digunakan juga double selfrepeat. Dengan menggambar semua kemungkinan repeatnya, maka akan diperoleh 5 graf berarah non-direguler yang tidak isomorfis (Gambar (ii), (iii),(iv), dan (v)).
440
SEMINAR NASIONAL MATEMATIKA DAN PENDIDIKAN MATEMATIKA UNY 2015
Sedangkan Gambar 4 merupakan salah satu graf berarah tidak teratur diantara 4 graf berarah nonreguler yang tidak isomorfis dengan orde – . Pada Gambar (i), tipe repeat yang digunakan adalah double selfrepeat. Dengan menggambar semua kemungkinan repeatnya, maka akan diperoleh 4 graf berarah direguler yang tidak isomorfis (Gambar (ii), (iii), dan (iv)). Jadi, walaupun menggambar graf berarah menggunakan tipe repeat yang sama, graf berarah yang dihasilkan belum tentu juga sama, bisa menghasilkan graf berarah reguler atau direguler. 1
1
2
3
2
3 (i)
1
5
4
1 5
4 2
3 2
5
3
4 2
3
HASIL KONSTRUKSI –
KONTRUKSI GRAF BERARAH ORDER
1
1
(ii)
2
3
2
5
4
1
(iv)
2
3
5
4
1
(iii)
(v)
3
2
3
5
4
5
4
EMPAT GRAF BERARAH LAINNYA YANG TIDAK ISOMORFIS GAMBAR 3: CONTOH KONSTRUKSI GRAF BERARAH TERATUR MENGGUNAKAN STRUKTUR REPEAT
1
1
2
2
3
1
4
3 1
5
1
(i)
5
1
4 2
3
3
2 4
5 –
KONSTRUKSI GRAF BERARAH ORDER
1
HASIL KONSTRUKSI
1
1 (iii)
2
(iv)
(ii)
3
2 3
3 5
4
4
5
5
2 4
TIGA GRAF BERARAH LAINNYA YANG RIDAK ISOMORFIS GAMBAR 4: CONTOH KONSTRUKSI GRAF BERARAH TIDAK TERATUR MENGGUNAKAN STRUKTUR REPEAT
441
ISBN. 978-602-73403-0-5
IV.
SIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan uraian pembahasan di atas maka dapat ditarik kesimpulan bahwa metode konstruksi graf berarah menggunakan struktur repeat ternyata cocok digunakan ketika mencari graf berarah lain dengan order yang sama yang tidak isomorfis. Hanya saja, kelemahannya adalah akan sulit digunakan jika jumlah titik dan diameternya cukup besar. Hal ini dikarenakan pada langkah ke akan lebih sulit menentukan out-neighbourhoodnya (banyak pilihan untuk menentukan out-neighbourhoodnya). Namun dengan banyaknya pilihan tersebut akan semakin banyak pula kemungkinan graf berarah regular/diregular yang non-isomorfis yang bisa dikonstruk. Makalah ini peneliti tutup dengan memunculkan conjecture sebagai berikut. Conjecture. Misalkan adalah graf berarah kurang dari batas Moore dengan dan derajad keluar , diameter dan . Jika dan adalah repeat titik serta maka dua titik tidak berada dalam dengan
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Baskoro, dkk. 1997. A Remark On Almost Moore Digraph of Degree Three. Journal Acta math Universitas Comenianae, LXVI : 285 - 291. Bridges dan Toueg. 1980. On the Impossibility of Directed Moore Graphs.Journal of Combinatorial Theory,B29: 339 - 341. M. Imase dan M. Itoh.1983. A Design for directed graph s with minimum diameter. IEEE Trans. on computers C-32: 782-784 Fiol, M.A., Yebra, J.L.A., and Alegre, I. 1984. Line digraph iterations and the (d,k) problem for directed Graphs, IEEE Transactions on Computers C-33 hal. 400-403. Slamin. 2001. Diregularity of Digraphs Close to Moore Bound. Tidak dipublikasikan. Disertasi. Australia: Department of Computer Science and Software Engineering The University of Newcastle. Dafik. 2007. Structural Properties and Labeling of Graphs. Tidak dipublikasikan. Disertasi. Australia: School of Information Technology and Mathematical Sciences University of Ballarat.
442
