Zyklus (Graphentheorie)

Begriff aus der Graphentheorie
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Zyklischer Graph mit Kreis (b,c,d,e,b)

Ein Zyklus ist in der Graphentheorie ein Weg in einem Graphen, bei dem Start- und Endknoten gleich sind. Ein zyklischer Graph ist ein Graph mit mindestens einem Zyklus. Algorithmisch lassen sich Zyklen in einem Graphen durch modifizierte Tiefensuche finden, etwa durch modifizierte topologische Sortierung.

DefinitionenBearbeiten

ZyklusBearbeiten

Ist   ein Graph, dann heißt ein Weg   mit   für   Zyklus, wenn

 

gilt. In einem Zyklus müssen also Start- und Endknoten des Weges übereinstimmen. Ein Zyklus in einem gerichteten Graphen heißt gerichteter Zyklus und in einem ungerichteten Graphen ungerichteter Zyklus.

KreisBearbeiten

Entsprechend dazu heißt ein Zyklus   in einem Graphen Kreis, wenn   ein Pfad ist. Ein Kreis ist damit ein Zyklus, bei dem nur Start- und Endknoten gleich sind, es gilt also zusätzlich

 

für   mit  . Ein Kreis in einem gerichteten Graphen heißt gerichteter Kreis und in einem ungerichteten Graphen ungerichteter Kreis. Eine Kante, die zwei Knoten eines Kreises verbindet, selbst jedoch nicht Teil des Kreises ist, heißt Sehne des Kreises.

LängeBearbeiten

In Graphen ohne Kantengewichte ist   die Länge eines Zyklus oder Kreises  . Anschaulich zählt man also die Anzahl zugehöriger Kanten. In einem kantengewichteten Graphen ist die Länge eines Zyklus oder Kreises die Summe der Kantengewichte aller zugehörigen Kanten.

Spezielle GraphenBearbeiten

Zyklischer GraphBearbeiten

Ein Graph mit mindestens einem Zyklus heißt zyklisch. Graphen ohne Zyklen werden azyklisch oder Wald genannt. Ein Zyklus oder Kreis heißt trivial, wenn er weniger als drei Knoten enthält. Triviale Kreise oder Zyklen werden bei der Analyse von Graphen meist nicht betrachtet. Ein Kreis, der genau drei Knoten enthält, wird Dreieck genannt. Einen Graphen ohne Dreieck nennt man dann dreiecksfrei. Als Taillenweite eines Graphen bezeichnet man die Länge eines kürzesten nicht trivialen Kreises. Falls der Graph keinen Kreis besitzt, so setzt man die Taillenweite auf unendlich. Die einfachsten zyklischen Graphen sind die Kreisgraphen.

Panzyklischer GraphBearbeiten

Ein Graph heißt kantenpanzyklisch, falls jede Kante auf einem Kreis der Länge   für alle   liegt. Ein Graph heißt knotenpanzyklisch, wenn jeder Knoten auf einem Kreis der Länge   für alle   liegt. Ein Graph heißt panzyklisch, wenn er für alle   einen Kreis der Länge   besitzt. Kantenpanzyklische Graphen sind damit auch knotenpanzyklisch und knotenpanzyklische Graphen auch panzyklisch. Panzyklische Graphen sind insbesondere hamiltonsch.

ZyklenraumBearbeiten

Zu einer beliebig vorgegebenen Nummerierung der Kanten   heißt ein Element   Inzidenzvektor zur Kantenmenge  , falls

 

gilt. Haben die Kanten zudem ein nichtnegatives Gewicht, werden die Einträge des Vektors mit diesem Gewicht multipliziert. Die Menge aller so beschriebenen Kreise bilden den Zyklenraum, einen Untervektorraum des  . Eine Basis des Zyklenraums sind die Fundamentalkreise. Jeder Fundamentalkreis entsteht durch Hinzufügen einer Kante zu einem aufspannenden Baum.

Der Kozyklenraum ist der Vektorraum aller durch Schnitte erzeugten Inzidenzvektoren. Er ist ebenfalls ein Untervektorraum des   und ergibt in direkter Summe mit dem Zyklenraum den ganzen Raum. Eine Basis des Kozyklenraums sind die Fundamentalschnitte. Jeder Fundamentalschnitt entsteht durch Weglassen einer Kante eines aufspannenden Baums als Zusammenhangskomponente.

Zykluserkennung mittels TiefensucheBearbeiten

Für jeden Knoten v: visited(v) = false, finished(v) = false
Für jeden Knoten v:
  DFS(v)
DFS(v):
  if finished(v)
    return
  if visited(v)
    "Zyklus gefunden" und Abbruch
  visited(v) = true
  für jeden Nachfolger w
    DFS(w)
  finished(v) = true

Nachfolger bedeutet sowohl für gerichtete als auch ungerichtete Graphen alle mit v verbundenen Knoten, bis auf den, der DFS(v) aufgerufen hat. Dies verhindert, dass der Algorithmus auch die trivialen Zyklen erfasst, was in jedem ungerichteten Graphen mit nichtleerer Kantenmenge stets der Fall ist.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten