Modellierung durch Graphen

Definition

Grob gesagt: Ein Graph wird beschrieben durch seine Knoten und Kanten, d. h. "Ecken" und Verbindungen zwischen diesen. Im allgemeinen werden Graphen benutzt, um Flüsse durch Netzwerke zu beschreiben oder Wege zu finden. Je nach Anwendungsfall benutzt man

  1. ungerichtete Graphen: eine Kante verläuft sozusagen "symmetrisch", Anfangs- und Endknoten sind gleichberechtigt.

  2. gerichtete Graphen: die Kanten unterscheiden zwischen Anfangs- und Endknoten; ein Fluß durch das Netzwerk kann die Kante nur in einer Richtung durchfließen.

  3. ungewichtete Graphen: Eine Kante ist entweder da oder nicht.

  4. gewichtete Graphen: Jede Kante besitzt ein gewisse Maximalkapazität oder ein Kostenmaß. Dadurch kann ein Algorithmus auf diesem Graphen beispielsweise maximale Durchsatzraten in einem Graphen, in dem ein Start- und ein Zielknoten ausgezeichnet sind, bestimmen. Über ein Kostenmaß können die Wege als verschieden "teuer" angesehen werden, so daß ein Algorithmus zur kürzesten Wegfindung auf einer kompakten Darstellung eines Verkehrsnetzes arbeiten kann.

Algorithmen

Die wichtigsten Algorithmenklassen auf Graphen sind Wegfindungs-Algorithmen und der Max-Flow-Min-Cut-Algorithmus.

Wegfindung

Zu vorgegebenem Start- und Zielknoten ist eine kürzeste Verbindung gesucht. Die "Länge" eines Wegs wird dabei als Summe der Kantengewichte modelliert; bei ungewichteten Graphen werden einfach die einzelnen Kanten gezählt (entspricht Gewichtung mit 1).

Max-Flow-Min-Cut

Im Graphen seien ein Anfangs- und ein Endknoten ausgezeichnet. Nach dem (relativ berühmten) Max-Flow-Min-Cut-Theorem von Ford und Fulkerson sind die folgenden Probleme äquivalent:

Beispiele

Praktisch

Verbesserung: Als Gewicht wird nicht die Weglänge zwischen den Gabelungen, sondern die Fahr-/Gehzeit benutzt. Dabei wird es wahrscheinlich passieren, daß zwei Richtungen einer Straße unterschiedlich stark befahren sind. Hier kann man entweder einen Mittelwert aus beiden Richtungen benutzen oder zu einem gerichteten Graphen übergehen. Invarianz des Aufwand/Nutzen-Verhältnisses: Mit steigender Modellgenauigkeit erschwert sich das Modell und die Algorithmen zur Problemlösung.

Theoretisch

Vorteile

Nachteile


ModellierungDurchGraphen (zuletzt geändert am 2007-11-01 17:25:07 durch localhost)