10. Flüsse und Artikulationspunkte
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- Arwed Becker
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1 0. Flüe un Artikultionpunkte Flüe in Netzwerken Artikultionpunkte Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
2 Netzwerk Ein Netzwerk it ein gewihteter un gerihteter Grph mit zwei peziellen Knoten: - Quelle (engl. oure): Knoten ohne eingehene Knten - Senke (engl. ink): Knoten ohne ugehene Knten. Die Gewihte (v,w) weren uh l Kpzitäten ezeihnet. Beipiel: 4 Netzwerk mit Quelle, Senke un Kpzitäten. Anwenungen: Strßenverkehrnetz: Kpzitäten geen mximl möglihe Verkehrihte je Strße n. Knlitionyytem: Kpzitäten geen mximle Wermenge n, ie je Zeiteinheit urh ein Rohr fließen knn. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
3 Flu Ein Flu f in einem Netzwerk G ornet jeer Knte (v,w) eine Zhl f(v,w) mit folgenen Eigenhften zu: () Kpzitätehränkung: 0 f(v,w) (v,w); () für jeen Knoten (ußer Quelle un Senke) gilt ie Erhltungeigenhft: ie Summe er eingehenen Flüe it gleih er Summe er ugehenen Flüe. Folgerung: Die Summe er Flüe, ie ie er Quelle verlen, mu gleih er Summe er Flüe ein, ie n er Senke nkommen. Der Wert eine Flue it gleih er Summe er Flüe, ie ie Quelle verlen. Ziel: etimme einen mximlen Flu eine Netzwerke (mximler Flu mu niht eineutig ein). Anwenungen: - Welhen Verkehrflu verkrftet eine Stt, für ie ein Strßenverkehrnetz gegeen it. - Welhe Wermenge lät ih urh eine Knlition höhten trnportieren. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
4 Beipiel für Netzwerk mit mximlem Flu / / 0/ / / /4 / / Flu / Kpzität Mximler Flu ht en Wert 5. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
5 Iee e Algorithmu Strte mit Null-Flu,.h. f(v,w) = 0 für lle Knten (v,w); o { () // Erweiterungweg uhen: Suhe einen Weg p von nh, ei em jee Knte um einen Flu Df vergrößert weren knn; () // Fluerweiterung: vergrößere für jee Knte (v,w) im Weg p en Flu f(v,w) um Df; } while (Flu konnte erweitert weren); 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/4 0/ 0/ Null-Flu.,,, it ein mögliher Erweiterungweg: jee Knte knn um en Flu Df = vergrößert weren. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
6 Prolem Die Whl eine Erweiterungwege knn in eine Skge führen (uoptimle Löung). Beipiel 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/4 0/ 0/ Erweiterungweg, ei em jee Knte um Df = vergrößert weren knn. / 0/ 0/ 0/ 0/ /4 0/ / Nh Fluerweiterung: Flu ht nun en Wert. E git nun keinen weiteren Erweiterungweg, owohl e eine Löung mit einem Fluwert von 5 git (iehe S. 0-40) Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
7 Reiulgrphen Löung e Prolem: Mn erlut nh er Vergrößerung uh wieer eine Verkleinerung von Kntenflüen. Verwlte ußer Grph G mit en ktuellen Flüen zuätzlih einen ogennnten Reiulgrphen G r (reiul = l Ret zurükleien). Im Reiulgrph wir gepeihert, um welhen Wert er Flu jeer Knte noh veränert weren rf (Reiulflu): () Ht eine Knte (v,w) en Flu f(v,w) > 0, nn rf er Flu verkleinert weren. Im Reiulgrphen G r wir ie Knte (w,v) mit em Reiulflu f(v,w) gepeihert. Behte: Knte in G r verläuft in umgekehrter Rihtung. (Fluerhöhung in umgekehrter Rihtung verkleinert en Flu.) () Ht eine Knte (v,w) en Flu f(v,w) < (v,w), nn rf er Flu vergrößert weren. Im Reiulgrphen G r wir ie Knte (v,w) mit em Reiulflu (v,w) - f(v,w) gepeihert. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
8 Beipiel Reiulgrph für Nullflu 0/ 0/ 0/ 0/ 0/4 4 0/ 0/ 0/ Grph G mit Nullflu. Reiulgrph G r mit Reiulflüen Reiulgrph nh Fluerweiterung,,, wir l Erweiterungweg gewählt. Flu lät ih um Df = vergrößern. 0/ / 0/ 0/ /4 0/ / 0/ Grph G mit Fluwert. Reiulgrph G r mit Reiulflüen Flu von nh rf um i zu verringert weren. Flu von nh rf um i zu erhöht un i zu verringert weren. Flu von nh rf um i zu verringert weren. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
9 Algorithmu zur Berehnung eine mximlen Flue Initiliiere Grph G mit Null-Flu,.h. f(v,w) = 0 für lle Knten (v,w); Initiliiere Reiulgrph G r ; o { () // Erweiterungweg uhen: Suhe im Reiulgrphen G r einen Weg p von nh ; Df = Minimum ller Reiul-Flüe im Weg p; () // Flu vergrößern: vergrößere für jee Knte (v,w) im Weg p en Flu f(v,w) um Df (ehte ei, umgekehrte Reiulflüe en Flu verkleinern); führe entprehene Änerungen im Reiulgrphen urh; } while (Flu konnte vergrößert weren); Anätze, um einen Erweiterungweg von nh im Reiulgrphen zu uhen: uhe en Weg mit em größten Df (wie ei kürzete Wege in Ditnzgrphen; iehe Algorithmu von Dijktr) uhe Weg mit kleinter Kntenzhl (wie kürzete Wege in ungewihteten Grphen urh erweiterte Breitenuhe) Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
10 Beipiel () Strte mit Nullflu 0/ 0/ 0/ 0/ 0/4 4 0/ 0/ Grph G mit Nullflu 0/ Reiulgrph G r mit Reiulflüen Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
11 Beipiel () Suhe Weg mit größten Df im Reiulgrphen: 4,,, it Weg mit größtem Df. Df = Minimum er Reiul-Flüe im Weg =. Reiulgrph G r Fluerweiterung um Df: / 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ /4 / Grph G mit Fluwert Reiulgrph G r Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
12 Beipiel () Suhe Weg mit größten Df im Reiulgrphen:,,,,, it Weg mit größtem Df. Df = Minimum er Reiul-Flüe im Weg =. Reiulgrph G r Fluerweiterung um Df: / / / Behte: Flu wure verkleinert! / 0/ /4 / / Grph G mit Fluwert 5 Reiulgrph G r Ene: E git im Reiulgrphen keine Wege mehr von nh. Mximler Flu gefunen! Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
13 Anlye ergit: T = O( E log V ) Anlye un Bemerkungen (Bewei iehe [Turu 004]). Bemerkungen: - Der hier ehrieene Algorithmu geht zurük uf For un Fulkeron (956). Anlye von Krp un Emon (97). - Mn ehte, ei einem ihten Grphen (.h. E = O( V ) ie Lufzeit nwäht uf T = O( V 4 log V ) - E git inzwihen weentlih hnellere Algorithmen: Preflow-Puh-Algorithmu von Golerg, 985: T = O( V ). Mittel pezieller Dtentrukturen erreihte Golerg 988 ogr: T = O( E V log( V / E ). Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
14 0. Flüe un Artikultionpunkte Flüe in Netzwerken Artikultionpunkte Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
15 Artikultionpunkt Ein ungerihteter Grph heißt zummenhängen (engl. onnete), fll e für jeen Knoten einen Weg zu jeem neren Knoten git. Eine Zummenhngkomponente eine ungerihteten Grphen G it ein mximl zummenhängener Teilgrph. Ein Knoten heißt Artikultionpunkt (Artikultion me. = Gelenk; engl. rtiultion point), wenn ein Wegfll ie Anzhl er Zummenhngkomponenten erhöht. Ein Grph heißt zweifh zummenhängen (engl. ionnete), fll er keinen Artikultionpunkt eitzt. Ziel: Betimme in einem ungerihteten Grphen lle Artikultionpunkte. B A Ein ungerihteter Grph G mit en Artikultionpunkten C un D. C D F G \ {C} zerfällt in Zummenhngkomponenten G H E G \ {D} zerfällt in Zummenhngkomponenten. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
16 Tiefenuhwl mit Rükwärtknten (TR) Stellt mn ie Tiefenuhe grphih r, ergit ih er Tiefenuhwl. Der Tiefenuhwl eteht u Vorwärtknten. Zuätzlih wir er Tiefenuhwl ergänzt um Rükwrtknten. Rükwrtknten in Knten, ie einen Knoten mit einem ereit früher euhten Knoten verinen jeoh niht en unmittelr vor euhten Knoten. Akürzung TR für Tiefenuhwl mit Rükwärtknten. B A H I B A H I J C C D F D G J G E F E TR, er mit A eginnt Vorwärtknten un Rükwärtknten Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
17 Vorfhre un Rükwärtweg Knoten v it Vorfhre von w, fll e im TR einen Weg von v nh w git, er nur u Vorwärtknten eteht. Ein Rükwärtweg it ein Weg in einem TR mit einer elieig lngen (evtl. leeren) Folge von Vorwärtknten un nn genu einer Rükwärtknte. A F E D C G B Beipiele: C it Vorfhre von D, E, F un G E F D it ein Rükwärtweg B C D A it ein Rükwärtweg E F D A it kein Rükwärtweg Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
18 Betimmung von Artikultionpunken (W) (NW) Die Wurzel it ein Artikultionpunkt, wenn ie mehr l ein Kin ht. Ein Knoten v Wurzel it ein Artikultionpunkt, fll v im TR ein Kin ht, von em e keinen Rükwärtweg zu einem Vorfhren von v git. B A C A B G B A C C D F D D G G E E E F F TR, er mit Knoten C eginnt C it Artikultionpunkt wegen (W) D it Artikultionpunkt wegen (NW) TR, er mit Knoten A eginnt C un D in Artikultionpunkte wegen Regel (NW) Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
19 Zuätzlihe Nummerierungen im TR TSNr[v]: git für jeen Knoten v en Beuhzeitpunkt ei er Tiefenuhe n. MinNr[v]: ie kleinte TSNr eine Knoten w, er von v üer einen Rükwärtweg erreiht weren knn. Fll e von v keine Rükwärtwege git, it MinNr[v] = TSNr[v]. A, B A B, C, C D F D 4, G 7,7 G E F E 6,4 5,4 TR mit TSNr un MinNr Regel (NW) lät ih mit wie folgt umetzen: Knoten v (ußer Wurzel) it genu nn ein Artikultionpunkt, wenn v ein Kin w ht mit MinNr[w] ³ TSNr[v]. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
20 Berehnung von MinNr MinNr[v] = Minimum von (M) TSNr[v], (M) kleinter Wert von TSNr[w] für lle Rükwärtknten (v,w) (M) kleinter Wert von MinNr[w] für lle Vorwärtknten (v,w) B A A, B, C D F D 4, C, G 7,7 G E E 5,4 F 6,4 TR mit TSNr un MinNr Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS
21 Algorithmu zur Betimmung von Artikultionpunkten () Set<Vertex> viite; int ounter; int[ ] TSNr; int[ ] MinNr; Vertex[ ] p; puli voi finartpoint(grph g) { viite = Æ; ounter = ; } for (jeen Knoten v) if (! viite.ontin(v) ) finartpoint(g, v); privte voi finartpoint(grph g, Vertex v) { //. nähte Seite } Glole Vrilen: ounter ient zum Hohzählen er Beuhzeitpunkte. TSNr un MinNr wie oeen ehrieen. p[v] peihert en im TR zu v gehörenen Elternknoten. finartpoint(g) git lle Artikultionpunkte e ungerihteten Grphen g u. finartpoint(g,v) trtet eine rekurive Tiefenuhe ei Knoten v. Behte: Die Prüfung, o eine Wurzel ein Artikultionpunkt it (Regel (W)), wure einfhheithler weggelen. Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
22 Algorithmu zur Betimmung von Artikultionpunkten () Set<Vertex> viite; int ounter; int[ ] TSNr[n]; int[ ] MinNr; int[ ] p; //... Glole Vrilen: ounter ient zum Hohzählen er Beuhzeitpunkte. TSNr un MinNr wie oeen ehrieen. p[v] peihert en im TR zu v gehörenen Elternknoten. privte voi finartpoint(grph g, Vertex v) { viite.(v); TSNr[v] = ounter++; MinNr[v] = TSNr[v]; // (M) } for (jeen Nhrn w von v ) { if (! viite.ontin(w)) { p[w] = v; finartpoint(g, w); if (MinNr[w] >= TSNR[v]) println(v + it ein Artikultion-Punkt ); MinNr[v] = Minimum(MinNr[v], MinNr[w]); // (M) } ele if (p[v]!= w) // (v,w) it Rükwärtknte MinNr[v] = Minimum(MinNr[v], TSNr[w]); // (M) } Prof. Dr. O. Bittel, HTWG Kontnz Algorithmen un Dtentrukuren Flüe un Artikultionpunkte SS 09 0-
Teil 2: Graphenalgorithmen
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