Graphentheorie. Formale Grundlagen (WIN) 2008S, F. Binder. Vorlesung im 2008S

Ähnliche Dokumente
= n (n 1) 2 dies beruht auf der Auswahl einer zweielementigen Teilmenge aus V = n. Als Folge ergibt sich, dass ein einfacher Graph maximal ( n E = 2

Diskrete Strukturen Kapitel 4: Graphentheorie (Grundlagen)

Nachbarschaft, Grad, regulär, Inzidenz

Bemerkung: Der vollständige Graph K n hat n(n 1)

WS 2013/14. Diskrete Strukturen

Graphentheorie. Eulersche Graphen. Eulersche Graphen. Eulersche Graphen. Rainer Schrader. 14. November Gliederung.

Formale Grundlagen. bis , Lösungen. 1. Beweisen Sie, daß die Summe aller Grade der Knoten stets gerade ist.

Algorithmische Graphentheorie

Einführung in die Graphentheorie. Monika König

Diskrete Strukturen Kapitel 4: Graphentheorie (Bäume)

Grundbegriffe der Informatik

Bäume und Wälder. Definition 1

Diskrete Strukturen. Hausaufgabe 1 (5 Punkte) Hausaufgabe 2 (5 Punkte) Wintersemester 2007/08 Lösungsblatt Januar 2008

WS 2009/10. Diskrete Strukturen

Für die Anzahl der Kanten in einem vollständigen Graphen (und damit für die maximale Anzahl von Kanten in einem einfachen Graphen) gilt:

Isomorphie von Bäumen

André Krischke Helge Röpcke. Graphen und Netzwerktheorie Grundlagen Methoden Anwendungen

Graphen. Graphen und ihre Darstellungen

Hausarbeit aus. Graphentheorie Formale Grundlagen Professor Franz Binder. zum Thema. Herbert Huber k Seite 1 von 21

Unendliche Graphen. Daniel Perz 24. Dezember Definition 1. Ein Graph G heißt lokal endlich, wenn alle Knotengrade endlich sind.

Kapitel 5: Minimale spannende Bäume Gliederung der Vorlesung

Grundbegriffe der Informatik

Proseminar Online Algorithmen, Prof. Dr. Rolf Klein

Graphentheorie Graphentheorie. Grundlagen Bäume Eigenschaften von Graphen Graphen-Algorithmen Matchings und Netzwerke

Graph Paar (V,E) V: nichtleere Menge von Knoten (vertex) E: Menge von Kanten (edges): Relation (Verbindung) zwischen den Knoten

Freie Bäume und Wälder

Einheit 11 - Graphen

Programmiertechnik II

Algorithmen und Datenstrukturen 2-1. Seminar -

Programmiertechnik II

Zentralübung zur Vorlesung Diskrete Strukturen (Prof. Esparza)

Grundbegriffe der Informatik

3 Klassifikation wichtiger Optimierungsprobleme

1. Einige Begriffe aus der Graphentheorie

\ E) eines Graphen G = (V, E) besitzt die gleiche Knotenmenge V und hat als Kantenmenge alle Kanten des vollständigen Graphen ohne die Kantenmenge E.

Formale Grundlagen 2008W. Vorlesung im 2008S Institut für Algebra Johannes Kepler Universität Linz

Theoretische Informatik 1

Quicksort ist ein Divide-and-Conquer-Verfahren.

Grundbegri e der Graphentheorie: Eckengrad, Wege und Kreise, Zusammenhang

Aufgabe 4.2 Sei G = (V, E, l) ein ungerichteter, gewichteter und zusammenhängender Graph.

Graphen und Bäume. A.1 Graphen

Diskrete Mathematik. Hamiltonsche Graphen Teil I. Karina Arndt

WS 2009/10. Diskrete Strukturen

Zentralübung zur Vorlesung Diskrete Strukturen

Zentralübung zur Vorlesung Diskrete Strukturen (Prof. Mayr)

Grundlagen: Begriffe zu Graphen

WS 2008/09. Diskrete Strukturen

WS 2009/10. Diskrete Strukturen

durch Einfügen von Knoten konstruiert werden kann.

Graphentheorie 1. Diskrete Strukturen. Sommersemester Uta Priss ZeLL, Ostfalia. Hausaufgaben Graph-Äquivalenz SetlX

3. Minimale Spannbäume. Definition 99 T heißt minimaler Spannbaum (MSB, MST) von G, falls T Spannbaum von G ist und gilt:

Graphentheorie. Zusammenhang. Zusammenhang. Zusammenhang. Rainer Schrader. 13. November 2007

9: Gewichtete Graphen

Westfählische Wilhelms-Universität. Eulersche Graphen. Autor: Jan-Hendrik Hoffeld

Ferienkurs Propädeutikum Diskrete Mathematik

4. Kreis- und Wegeprobleme

Verteilen von Bällen auf Urnen

Etwas Topologie. Thomas Jahn. LV Algebraische Topologie am 1. Dezember 2014

1. Einführung. Grundbegriffe und Bezeichnungen. Beispiele. gerichtete Graphen. 1. Einführung Kapitelübersicht

Vorlesungen vom 5.Januar 2005

Ausarbeitung über den Satz von Menger und den Satz von König

5. Bäume und Minimalgerüste

Formale Grundlagen 2008W. Vorlesung im 2008S Institut für Algebra Johannes Kepler Universität Linz

Studientag zur Algorithmischen Mathematik

Minimal spannender Baum

Mehr über Abbildungen

Übungen zu Kombinatorik und Graphentheorie

3.1 Konstruktion von minimalen Spannbäumen Es gibt zwei Prinzipien für die Konstruktion von minimalen Spannbäumen (Tarjan): blaue Regel rote Regel

4. Welchen Zusammenhang gibt es zwischen den Eckengraden und der Anzahl der Kanten eines ungerichteten Graphen?

Diskrete Mathematik. Sebastian Iwanowski FH Wedel. Kap. 6: Graphentheorie

Vollständiger Graph. Definition 1.5. Sei G =(V,E) ein Graph. Gilt {v, w} E für alle v, w V,v w, dann heißt G vollständig (complete).

Bernd Döring. Wege, Plätten, Färben. Vom Problem zur Theorie der Graphen

w a is die Anzahl der Vorkommen von a in w Beispiel: abba a = 2

Vorlesung Diskrete Strukturen Eulersche und Hamiltonsche Graphen

Vorlesung Diskrete Strukturen Graphen: Wieviele Bäume?

Vorlesung Diskrete Strukturen Eulersche und Hamiltonsche Graphen

2 Tiefen- und Breitensuche

(1.18) Def.: Eine Abbildung f : M N heißt

Minimal spannende Bäume

Lösungen zu Kapitel 5

Zur Zykelschreibweise von Permutationen

KAPITEL 3 MATCHINGS IN BIPARTITEN GRAPHEN

Knoten-Partitionierung in feste Eigenschaften ist NP-schwer

Algorithmen und Datenstrukturen (WS 2007/08) 63

Algorithmen und Datenstrukturen 2

9. Übung Algorithmen I

Anwendungen von Graphen

Von den Kanten von Gewicht 4 wird nur noch eine ausgewählt, die zu dem letzten nicht ausgewählten Knoten führt: 1. Juni

Formale Sprachen. Formale Grundlagen (WIN) 2008S, F. Binder. Vorlesung im 2008S

Diskrete Mathematik 1

Studientag zur Algorithmischen Mathematik

Gibt es in Königsberg einen Spaziergang, bei dem man jede der. Pregelbrücken. überquert?

Formale Sprachen, Automaten, Prozesse SS 2010 Musterlösung - Übung 1 M. Brockschmidt, F. Emmes, C. Fuhs, C. Otto, T. Ströder

Klausur zu Diskrete Strukturen, WS 09/10

Seminar. Das Steinerbaumproblem

Übungsblatt 2 - Lösung

Institut für Mathematik Geometrie und Lineare Algebra J. Schönenberger-Deuel. Aufgabe 1. Wir geben nur zwei von sehr vielen möglichen Strategien.

Satz 324 Sei M wie oben. Dann gibt es für ein geeignetes k Konstanten c i > 0 und Permutationsmatrizen P i, i = 1,...

Der Fundamentalsatz der Algebra

Diskrete Strukturen Kapitel 2: Grundlagen (Relationen)

Transkript:

Minimale Graphentheorie Formale Grundlagen (WIN) Franz Binder Institut für Algebra Johannes Kepler Universität Linz Vorlesung im 2008S http://www.algebra.uni-linz.ac.at/students/win/fg

Minimale Inhalt Minimale Wurzelbäume Binärbäume

Königsberger Brückenproblem Minimale Gibt es einen Spaziergang, der jede Brücke genau einmal benutzt? Ist dies ein Eulergraph?

Springerproblem Minimale Ist es möglich, mit dem Springer jedes Feld des Schachbrettes genau einmal zu besuchen? Enthält dieser Graph einen Hamiltonschen Kreis?

Minimale Ein Graph G enthält eine Menge V von Knoten, zu je zwei Knoten { a, b } V, eine Menge G(a, b) von Kanten. Beispiel 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.

Minimale Der Grad d(a) eines Knoten a in einem Graphen ist die Anzahl der zu a inzidenten Kanten, wobei Schlingen doppelt zu zählen sind. Es gilt: d(a) = b G(a, b) + G(a, a). Satz In einem Graphen mit m Kanten gilt: 2 m = a d(a). Folgerung Die Anzahl der Knoten ungeraden Grades ist gerade. Satz Ist i ein Graphen-Isomorphismus, dann ist d(a) = d(i(a)). 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.

Graphen-Homomorphismus Minimale Seien G 1, G 2 zwei Graphen. Ein Homomorphismus h : G 1 G 2 enthält eine Funktion h 0 : V 1 V 2 zwischen den Knotenmengen, zu je zwei Knoten a, b, eine Funktion h a,b : G 1 (a, b) G 2 (h 0 (a), h 0 (b)) zwischen den entsprechenden Kantenmengen. Ein Graphen-Homomorphismus erhält die Verbindungsstruktur eines Graphen, nicht aber zusätzliche Informationen wie Lage der Knoten oder Form der Kanten. 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).

Graphen-Isomorphismus Minimale Ein Graphen-Isomorphismus ist ein invertierbarer Graphen-Homomorphismus. D.h. ein Graphen-Homomorphismus h : G 1 G 2 ist ein Isomorphismus, wenn es einen Graphen-Homomorphismus h : G 2 G 1 gibt, sodaß h 0 und h 0 zueinander inverse Abbildungen sind, und auch für alle Knoten a, b die Abbildungen h a,b und h a,b zueinander invers sind. 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. Bei Mehrfachkanten muß entsprechend die Anzahl der Kanten gleich bleiben.

gruppe Minimale Asymmetrisch Aut G Z 2 Die Menge aller eines Graphen G ( G G) bildet mit der Hintereinanderausführung eine Gruppe, die gruppe Aut G. Ist Aut G = { id }, dann ist G asymmetrisch. Gilt für zwei Knoten α(u) = v, mit α Aut G, dann sind u und v im Graphen gleichwertig. Sind alle Knoten gleichwertig, dann heißt der Graph transitiv. Knoten-transitiv

Minimale Ein Graph H heißt Teilgraph eines Graphen G, wenn 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). Beispiel Das Bild eines Graphen-Homomorphismus h : H G ist ein Teilgraph. Ist dieser injektiv (Knoten- und Kantenteil), so sind H und das Bild h(g) isomorph. Man sagt dann, H wird durch h in H eingebettet.

Weg Minimale 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. Zwei Wege sind genau dann isomorph wenn sie gleich viele Kanten haben. Die Endknoten eines Weges haben nur einen Nachbarn, während die inneren Knoten stets zwei Nachbarn haben.

Kreis Minimale 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. Zwei Kreise sind genau dann isomorph wenn sie gleich viele Kanten haben. Alle Knoten eines Kreises haben exakt zwei Nachbarn. Es gibt keine spezillen Endknoten, alle Knoten sind gleichberechtigt.

Ein Graph der einen Kreis enthält, der alle Knoten umfaßt heißt ein Hamiltonscher Graph. Theorem Das Problem, zu entscheiden ob ein beliebiger gegebener Graph Hamiltonsch ist, ist NP-vollständig. Minimale

Minimale Ein Graph heißt zusammenhängend, wenn er das homomorphe Bild eines Weges ist. Satz Ein nicht-leerer Graph ist genau dann zusammenhängend, wenn je zwei Knoten stets durch einen Weg verbunden werden können. Satz Verbindbarkeit durch einen Weg ist eine Äquivalenzrelation. Ihre Äquivalenzklassen zerlegen den Graphen in skomponenten.

Bewegliche und stabile Minimale S1 S2 S3 Z1 Z2 Z3 Stabil zusammenhängend. Gesucht daher: Spannbaum im Graphen aller möglichen Verstebungen

Minimale Ein Wald ist ein Graph, der keinen Kreis enthält. Ein Baum ist ein zusammenhängender Wald. Die skomponenten eines Waldes sind. Ein Wald ist somit eine Menge von n. Beispiel Satz 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.

Minimale Beweis. Ein Teilgraph T eines Graphen G heißt aufspannend wenn er alle Knoten von G umfaßt. Satz Jeder zusammenhängende Graph enthält einen aufspannenden Baum (Spannbaum). 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. Eine Kante zu einem solchen geben wir zu T hinzu und fahren mit diesem erweiterten Baum fort. Am Schluß ist T ein Spannbaum.

Minimale 1 11 Minimaler Spannbaum 8 7 10 9 62 12 Beweis. 5 4 3 Ein Teilgraph T eines kantengewichteten Graphen G heißt minimaler Spannbaum wenn er unter allen n das geringste Gesamtgewicht hat. Satz Jeder zusammenhängende Graph enthält einen minimalen Spannbaum, und dieser läßt sich durch einen Greedy-Algorithmus leicht finden. Wir beginnen mit irgendeinem Knoten als Teilgraph T. Wenn T noch nicht alle Knoten umfaßt, dann gibt es, weil G zusammenhängend ist, mindestens einen Nachbarknoten von T. 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.

Minimale Dijkstra-Verfahren 30 + 100 100 99 10 10 + 100 100 10 15 15 + + 25 25 99 70 + 100 99 50 + 25 99 10 + 15 25 5 + 10 15 45 + 15 99 15 + 10 30 20 + 30 55 25 + 30 65 30 + 15 45 15 15 + 45 45 99 40 + 45 99 65 + 10 65 + 10 75