Graphentheorie - Institute for Algebra

Graphentheorie
2008S, F. Binder
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Graphentheorie
Formale Grundlagen (WIN)
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
2008S, F. Binder
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Franz Binder
Institut für Algebra
Johannes Kepler Universität Linz
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Vorlesung im 2008S
http://www.algebra.uni-linz.ac.at/Students/Win/fg
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Inhalt
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Wurzelbäume
Binärbäume
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Königsberger Brückenproblem
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Gibt es einen Spaziergang, der jede Brücke
genau einmal benutzt?
Ist dies ein
Eulergraph?
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Springerproblem
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Ist es möglich, mit dem
Enthält dieser Graph einen
Springer jedes Feld des
Hamiltonschen Kreis?
Schachbrettes genau einmal zu
besuchen?
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Knoten und Kanten
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Definition
Ein Graph G enthält
I
eine Menge V von Knoten,
I
zu je zwei Knoten { a, b } ⊆ V , eine Menge G(a, b) von Kanten.
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Beispiel
Definition
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
I
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
I
I
Gibt es zwischen zwei Knoten mehr als
eine Kante, dann spricht man von einer
Mehrfachkante, bestehend aus mehreren
parallelen Kanten.
Eine Kante, die einen Knoten mit sich
selbst verbindet, nennt man eine
Schlinge.
Ein Graph ohne Mehrfachkanten und
Schlingen heißt schlicht.
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Knotengrad
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Definition
Der Grad d(a) eines Knoten a in einem Graphen ist die Anzahl der
zu a inzidenten Kanten, wobei Schlingen doppelt zu zählen sind.
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
BemerkungP
Es gilt: d(a) =
b
|G(a, b)| + |G(a, a)|.
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Satz
In einem Graphen mit m Kanten gilt: 2 · m =
P
a
d(a).
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Folgerung
Die Anzahl der Knoten ungeraden Grades ist gerade.
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Satz
Ist i ein Graphen-Isomorphismus, dann ist d(a) = d(i(a)).
Definition
Ein Graph heißt regulär wenn alle Knoten denselben Grad haben.
Folgerung
In einem regulären Graphen vom Grad r mit n Knoten und m
Kanten gilt: 2 · m = n · r.
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Graphen-Homomorphismus
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Definition
Seien G1 , G2 zwei Graphen. Ein Homomorphismus h : G1 → G2
enthält
Homomorphismen
Isomorphismen
I
eine Funktion h0 : V1 → V2 zwischen den Knotenmengen,
I
zu je zwei Knoten a, b, eine Funktion
ha,b : G1 (a, b) → G2 (h0 (a), h0 (b)) zwischen den entsprechenden
Kantenmengen.
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Bemerkung
Ein Graphen-Homomorphismus erhält die Verbindungsstruktur eines
Graphen, nicht aber zusätzliche Informationen wie Lage der Knoten
oder Form der Kanten.
Bemerkung
Ein Homomorphismus h zwischen zwei Graphen ohne
Mehrfachkanten ist einfach eine Funktion zwischen den
Knotenmengen, sodaß gilt: Wenn a, b benachbart sind, dann auch
h(a), h(b).
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Graphen-Isomorphismus
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Definition
Ein Graphen-Isomorphismus ist ein invertierbarer
Graphen-Homomorphismus.
D.h. ein Graphen-Homomorphismus h : G1 → G2 ist ein
Isomorphismus, wenn es einen
Graphen-Homomorphismus h 0 : G2 → G1 gibt, sodaß h0 und h00
zueinander inverse Abbildungen sind, und auch für alle Knoten a, b
0
die Abbildungen ha,b und ha,b
zueinander invers sind.
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Bemerkung
I
Ein Isomorphismus h zwischen zwei Graphen ohne
Mehrfachkanten ist eine bijektive Abbildung zwischen den
Knotenmengen, sodaß zwei Knoten a, b genau dann verbunden
sind, wenn h(a) und h(b) verbunden sind.
I
Bei Mehrfachkanten muß entsprechend die Anzahl der Kanten
gleich bleiben.
Kürzeste Wege
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Automorphismengruppe
Einfühung
Definition
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Asymmetrisch
Die Menge aller Automorphismen
eines Graphen G (Isomorphismen
G → G) bildet mit der
Hintereinanderausführung eine
Gruppe, die Automorphismengruppe
Aut G.
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Definition
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Aut G ' Z2
I
Ist Aut G = { id }, dann ist G
asymmetrisch.
I
Gilt für zwei Knoten α(u) = v,
mit α ∈ Aut G, dann sind u
und v im Graphen gleichwertig.
I
Sind alle Knoten gleichwertig,
dann heißt der Graph transitiv.
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Knoten-transitiv
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2008S, F. Binder
Teilgraphen
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Definition
Ein Graph H heißt Teilgraph eines Graphen G, wenn
I
I
die Knoten von H eine Teilmenge der Knoten von G bilden,
für alle Knoten a, b von H ist H(a, b) ⊆ G(a, b).
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Beispiel
Bemerkung
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
I
Das Bild eines
Graphen-Homomorphismus h : H → G
ist ein Teilgraph.
I
Ist dieser injektiv (Knoten- und
Kantenteil), so sind H und das Bild
h(G) isomorph.
I
Man sagt dann, H wird durch h in H
eingebettet.
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Weg
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Definition
Ein Weg ist ein Graph, dessen Knoten
sich so ordnen lassen, daß jeder mit dem
nächsten verbunden ist, und der
ansonsten keine Kanten besitzt.
Der Weg mit n Kanten wird mit P n
bezeichnet.
Ein Weg der Länge n in einem Graphen
ist ein Teilgraph, der isomorph zu P n ist.
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Bemerkung
Zwei Wege sind genau dann isomorph
wenn sie gleich viele Kanten haben.
Bemerkung
Die Endknoten eines Weges haben nur
einen Nachbarn, während die inneren
Knoten stets zwei Nachbarn haben.
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Kreis
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Definition
Ein Kreis ist ein Graph, der entsteht,
wenn in einem Weg eine zusätzliche
Kante eingefügt wird, die dessen
Endknoten verbindet. Der Kreis mit n
Kanten wird mit C n bezeichnet.
Ein Kreis der Länge n in einem Graphen
ist ein Teilgraph, der isomorph zu C n ist.
Bemerkung
Zwei Kreise sind genau dann isomorph
wenn sie gleich viele Kanten haben.
Bemerkung
Alle Knoten eines Kreises haben exakt
zwei Nachbarn. Es gibt keine spezillen
Endknoten, alle Knoten sind
gleichberechtigt.
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Hamiltonsche Graphen
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Definition
Ein Graph der einen Kreis enthält, der alle Knoten umfaßt heißt ein
Hamiltonscher Graph.
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Theorem
Das Problem, zu entscheiden ob ein beliebiger gegebener Graph
Hamiltonsch ist, ist NP-vollständig.
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Zusammenhang
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Definition
Ein Graph heißt zusammenhängend, wenn er das homomorphe Bild
eines Weges ist.
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Satz
Ein nicht-leerer Graph ist genau dann zusammenhängend, wenn je
zwei Knoten stets durch einen Weg verbunden werden können.
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Satz
Verbindbarkeit durch einen Weg ist eine Äquivalenzrelation. Ihre
Äquivalenzklassen zerlegen den Graphen in
Zusammenhangskomponenten.
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Bewegliche und stabile Rahmen
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
S1
Z1
S2
Z2
S3
Z3
Stabil ⇐⇒
zusammenhängend.
Gesucht daher: Spannbaum im
Graphen aller möglichen
Verstebungen
Graphentheorie
2008S, F. Binder
Einfühung
Grundbegriffe
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Baum und Wald
Definition
I
Ein Wald ist ein Graph, der keinen Kreis enthält.
I
Ein Baum ist ein zusammenhängender Wald.
Homomorphismen
Isomorphismen
Automorphismen
Bemerkung
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
I
Die Zusammenhangskomponenten eines Waldes sind Bäume.
I
Ein Wald ist somit eine Menge von Bäumen.
Zusammenhang
Rahmen
Beispiel
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Satz
I
I
Ein Graph ist genau dann ein Wald, wenn es zwischen je zwei
Knoten höchstens einen Weg gibt.
Ein Graph ist genau dann ein Baum, wenn es zwischen je zwei
Knoten genau einen Weg gibt.
Graphentheorie
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Spannbäume
Einfühung
Definition
Grundbegriffe
Ein Teilgraph T eines Graphen G heißt
aufspannend wenn er alle Knoten von G umfaßt.
Knoten und Kanten
Knotengrad
Struktur
Homomorphismen
Satz
Isomorphismen
Jeder zusammenhängende Graph enthält einen
aufspannenden Baum (Spannbaum).
Automorphismen
Teilgraphen
Verbindungen
Wege und Kreise
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
Bäume
Beweis.
Baum und Wald
Spannbäume
I
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
I
Wir beginnen mit irgendeinem Knoten (ohne Kanten) als
Teilgraph T (offensichtlich ein Baum).
Wenn T noch nicht alle Knoten umfaßt, dann gibt es, weil G
zusammenhängend ist, mindestens einen Nachbarknoten von T .
I
Eine Kante zu einem solchen geben wir zu T hinzu und fahren
mit diesem erweiterten Baum fort.
I
Am Schluß ist T ein Spannbaum.
Graphentheorie
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Minimaler Spannbaum
9
Einfühung
Definition
Grundbegriffe
2
6
5
1
8
7
4
Knotengrad
10
Knoten und Kanten
Struktur
Homomorphismen
Isomorphismen
Ein Teilgraph T eines kantengewichteten
Graphen G heißt minimaler Spannbaum wenn er
unter allen Spannbäumen das geringste
Gesamtgewicht hat.
Automorphismen
Teilgraphen
Hamiltonsche Graphen
Zusammenhang
Rahmen
12
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
Minimale Spannbäume
Kürzeste Wege
Satz
3
Wege und Kreise
11
Verbindungen
Jeder zusammenhängende Graph enthält einen
minimalen Spannbaum, und dieser läßt sich durch
einen Greedy-Algorithmus leicht finden.
Beweis.
I
Wir beginnen mit irgendeinem Knoten als Teilgraph T .
I
Wenn T noch nicht alle Knoten umfaßt, dann gibt es, weil G
zusammenhängend ist, mindestens einen Nachbarknoten von T .
I
Die kleinste passende Kante zu einem solchen geben wir zu T
hinzu und fahren mit diesem erweiterten Baum fort.
Am Schluß ist T ein minimaler Spannbaum.
I
Dijkstra-Verfahren
Einfühung
50 + 25 − 99
10
−
Bäume
Baum und Wald
Spannbäume
+
10
5+
Minimale Spannbäume
0−
10
10
+
15
−
10
30
30 +
15 −
45
99
15
Rahmen
45 + 15 − 99
70
Zusammenhang
0
+ 10
99
Hamiltonsche Graphen
− 99
99
Wege und Kreise
−
45
Verbindungen
Kürzeste Wege
25
−
25
Teilgraphen
15
−
55
Automorphismen
30
+
Isomorphismen
+
15
Homomorphismen
10
+
+
15
10
0−
Knotengrad
Struktur
45
−
Knoten und Kanten
25
+
65 + 10 − 75
40
+
99
Grundbegriffe
30
−
2008S, F. Binder
20
+
Graphentheorie
30
−
65