Hamiltonkreisproblem

Begriff aus der Graphentheorie in der Mathematik

Ein Hamiltonkreis ist ein geschlossener Pfad in einem Graphen, der jeden Knoten genau einmal enthält. Die Frage, ob ein solcher Kreis in einem gegebenen Graphen existiert, ist ein wichtiges Problem der Graphentheorie. Im Gegensatz zum leicht lösbaren Eulerkreisproblem, bei dem ein Kreis gesucht wird, der alle Kanten genau einmal durchläuft, ist das Hamiltonkreisproblem NP-vollständig.

Man unterscheidet das Gerichtete Hamiltonkreisproblem in gerichteten Graphen und das Ungerichtete Hamiltonkreisproblem in ungerichteten Graphen. Ein Spezialfall des Hamiltonkreisproblems ist das Problem des Handlungsreisenden, bei welchem nach einem kürzesten Hamiltonkreis in einem Graphen mit Kantengewichten gefragt wird.

GeschichteBearbeiten

 
Das Dodekaeder ist, wie alle platonischen Körper, hamiltonsch.

Namensgeber des Problems ist der irische Astronom und Mathematiker Sir William Rowan Hamilton, der 1857 das Spiel „The Icosian Game“ erfand (und später verbesserte zum „Traveller's Dodecahedron or A Voyage Round The World“).

Der „Traveller's Dodecahedron“ besteht aus einem hölzernen, regulären Dodekaeder, wobei die 20 Knoten mit Namen bekannter Städte assoziiert sind. Ziel ist es, eine Reiseroute entlang der Kanten des Dodekaeders zu finden, die jede Stadt genau einmal besucht und dort aufhört, wo sie beginnt.

Zunächst erscheint die Aufgabenstellung ähnlich dem 1736 von Leonhard Euler (verneinend) gelösten Königsberger Brückenproblem, einem Spezialfall des Eulerkreisproblems und Grundsteinlegung der Graphentheorie. Während für das Eulerkreisproblem aber besonders effiziente Lösungs-Algorithmen existieren, ist bekannt, dass beide Varianten des Hamiltonkreisproblems besonders schwer algorithmisch lösbare Probleme sind. Sowohl die gerichtete als auch die ungerichtete Variante des Hamiltonkreisproblems gehört zur Liste der 21 klassischen NP-vollständigen Probleme, für die Richard M. Karp 1972 in seinem berühmten Artikel die Zugehörigkeit zu dieser Klasse von Problemen nachgewiesen hat.

DefinitionenBearbeiten

Sei   ein Graph mit   Knoten (oder Ecken) und   Kanten.

  heißt hamiltonsch, wenn er einen Hamiltonkreis zulässt, d. h., wenn es einen Kreis in   gibt, der alle Knoten aus   enthält. Ein Hamiltonpfad ist ein Pfad in  , der alle Knoten aus   enthält. Hat   Hamiltonpfade, jedoch keinen Hamiltonkreis, so heißt   semihamiltonsch.

Zur Potenz eines Graphen: Für einen Graphen   und   bezeichnet   den Graphen auf  , bei dem zwei Knoten genau dann benachbart sind, wenn sie in   einen Abstand kleiner gleich   haben. Offenbar gilt  .

Ein beliebiges Tupel   natürlicher Zahlen heißt hamiltonsch, wenn jeder Graph mit   Knoten und punktweise größerer Gradsequenz hamiltonsch ist. Eine Gradsequenz   heißt dabei punktweise größer als  , wenn   gilt für alle  .

Ein Graph   heißt hypohamiltonsch, wenn er keinen hamiltonschen Kreis besitzt, aber zu jedem seiner Knoten ein Kreis existiert, der alle anderen Knoten enthält.

Der Hamiltonabschluss eines Graphen   ist der Obergraph von   mit identischer Knotenmenge und zusätzlich iterativ eingefügten Kanten, die nichtadjazente Knoten mit Gradsumme größer gleich   miteinander verbinden, solange dies möglich ist. Der Hamiltonabschluss eines Graphen ist eindeutig.

EigenschaftenBearbeiten

Jeder Hamiltonkreis kann durch Entfernen einer seiner Kanten in einen Hamiltonweg umgewandelt werden. Ein Hamiltonweg kann jedoch nur dann zu einem Hamiltonkreis erweitert werden, wenn seine Endknoten benachbart sind.

Alle hamiltonschen Graphen sind 2-zusammenhängend, aber ein 2-zusammenhängender Graph muss nicht hamiltonsch sein, zum Beispiel der Petersen-Graph.

Ein eulerscher Graph, also ein zusammenhängender Graph, in dem jeder Knoten einen geraden Grad hat, besitzt notwendigerweise einen Eulerkreis, wobei der geschlossene Weg genau einmal durch jede Kante verläuft. Dieser Weg entspricht einem Hamiltonkreis im zugehörigen Kantengraphen, sodass der Kantengraph jedes eulerschen Graphen ein hamiltonscher Graph ist. Kantengraphen können andere Hamiltonkreise haben, die nicht den Eulerkreisen entsprechen, und insbesondere ist der Kantengraph jedes hamiltonschen Graphen selbst hamiltonsch, unabhängig davon, ob der Graph ein eulerscher Graph ist.

Ein Turniergraph mit mehr als zwei Knoten ist genau dann ein hamiltonscher Graph, wenn er stark zusammenhängend ist.

Die Anzahl der verschiedenen Hamiltonkreise in einem vollständigen ungerichteten Graphen mit   Knoten beträgt   und in einem vollständigen gerichteten Graphen mit   Knoten  . Dabei werden Hamiltonkreise, die bis auf ihren Startknoten gleich sind, nicht mehrfach gezählt.

Sätze über HamiltonkreiseBearbeiten

Welche Bedingungen an einen Graphen   mit   haben die Existenz eines Hamiltonkreises zur Folge? Besonders wichtige Theoreme sind folgend chronologisch aufgelistet.

SätzeBearbeiten

  • G. A. Dirac (1952), der historische Ausgangspunkt der Entdeckung einer ganzen Reihe von Bedingungen: Jeder einfache Graph   mit Minimalgrad mindestens   hat einen Hamiltonkreis.[1]
  • Ø. Ore (1960): Ist die Summe der Grade je zweier nicht-adjazenter Knoten eines einfachen Graphen mindestens  , so ist   hamiltonsch.[1]
  • L. Pósa (1962) mit einer Verallgemeinerung früherer Ergebnisse von G. A. Dirac und Ø. Ore: Sei   ein einfacher Graph mit   Knoten. Es gelte außerdem für alle natürlichen Zahlen  , dass die Anzahl der Knoten mit Grad   kleiner als   ist. Falls   ungerade ist, sei die Anzahl aller Knoten mit Grad   kleiner oder gleich  . Dann besitzt   einen Hamiltonkreis.[1]
  • P. Erdős (1962): Sei   ein einfacher Graph mit   Knoten und   Kanten. Jeder Knoten   in   habe einen Grad  . Es gelte   und es sei  . Dann gilt:
    • 1. Jeder Graph   mit   besitzt einen Hamiltonkreis.
    • 2. Es existiert ein Graph  , der keinen Hamiltonkreis besitzt.[1]
  • V. Chvátal (1972): Ein Tupel   natürlicher Zahlen mit   ist genau dann hamiltonsch, wenn für jedes   gilt:  .
  • V. Chvátal und P. Erdős (1972): Ist   k-zusammenhängend und die Mächtigkeit jeder Menge unabhängiger Knoten aus    , so ist   hamiltonsch.
  • H. Fleischner (1974): Ist   2-zusammenhängend, so hat   einen Hamiltonkreis.
  • J. A. Bondy und V. Chvátal (1976):   ist genau dann hamiltonsch, wenn sein Hamiltonabschluss hamiltonsch ist.

Weitere hinreichende EigenschaftenBearbeiten

Ein Graph ist hamiltonsch, wenn er

Notwendige EigenschaftenBearbeiten

Hat ein Graph einen Hamiltonkreis, dann

  • hat er keinen Schnittknoten.
  • hat er keine Brücke.
  • ist sein Blockgraph ein isolierter Knoten.
  • hat er einen 2-Faktor.
  • ist er 2-zusammenhängend.
  • ist sein Minimalgrad mindestens 2.
  • ist sein Durchmesser höchstens  .
  • ist er 1-tough, d. h. für jede nicht-leere Menge von   Knoten gilt, dass der Graph ohne diese Knoten höchstens   Zusammenhangskomponenten besitzt.
  • ist path-tough, d. h. für jeden Knoten gilt, dass der Graph ohne diesen Knoten einen Hamiltonschen Weg besitzt, das ist ein Weg, der alle Knoten des Graphen enthält.

VermutungenBearbeiten

In diesem Zusammenhang wurden diese wichtigen – nicht allgemein gelösten – Vermutungen geäußert:

  • P. Seymour (1974): Ist der Minimalgrad von    , so hat   einen Hamiltonkreis   mit  . Für   entspricht dies dem Satz von G. A. Dirac, 1952, (siehe oben).
    Die Aussage für   war bereits 1963 von L. Pósa vermutet worden und wurde 1996 für hinreichend große   von J. Komlós, G. N. Sárközy & E. Szemerédi bewiesen.

Siehe auchBearbeiten

  • Ein Spezialfall des Hamiltonkreises ist das sogenannte Springerproblem.
  • Die Gray-Codes sind die Lösungen des Hamiltonkreisproblems für einen Hyperwürfel.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b c d Horst Sachs: Einführung in die Theorie der endlichen Graphen (Band 1). 1. Auflage. BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig 1970.

WeblinksBearbeiten

Commons: Hamiltonian paths – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien