notes/school/di-ma/20181031_1-graphentheorie.md

---
title: Graphentheorie
date: 2018-10-31
---

Idee:

![Knoten](20181031_1-knoten.png)

![Kante](20181031_1-kante.png)

Knoten entsprechen Objekten, Kanten Beziehungen zwischen den Objekten.

Was wir nicht erlauben:

* Schleifen, d.h. Kanten von einem Konten zu sich selbst
  ![Schleife](20181031_1-loop.png)
* Mehrfache ungerichtete Kanten zwischen zwei Knoten
  ![Mehrfach ungerichtet](20181031_1-double_undirected.png)


# Gerichtete Graphen

Hier haben Kanten eine Richtung.

![Gerichteter Graph](20181031_1-dag.png)

Bei gerichteten Graphen erlauben wir zwischen zwei Knoten zwei Kanten mit
unterschiedlicher Richtung.


# Definition (Graph)

Sei $V$ eine endliche Menge und $E$ eine Teilmenge von $E \subseteq
\binom{V}{2} = \{ \{u,v\} | u,v \in V, u \neq v \}$ (alle 2-elementingen
Teilmengen).

Ein Graph ist ein Tupel

$$
G = (V, E)
$$

**Beispiel**: $V = \{1,2,3\}$, $E = \{ \{1,2\}, \{2,3\}, \{1,3\} \}$

![Beispiel Graph](20181031_1-ex_graph.png)


# Definition (Gerichteter Graph; Digraph)

Sei $V$ eine endliche Menge und $E \subseteq V \times V = \{ (u,v) | u,v \in E,
u \neq v \}$.

Ein Digraph ist ein Tupel $G = (V, E)$.

**Beispiel**: $V = \{1,2,3\}$, $E = \{ (2,3), (1,2), (3,1), (3,2) \}$

![Beispiel Digraph](20181031_1-ex_digraph.png)


# Wichtige Beispiele von Graphen

a) Vollständiger Graph

    Je zwei Knoten sind miteinander verbunden, d.h. für endliche Menge $V$ mit
    $|V| = n$ ist $E = \binom{V}{2}$ für $K_n = (V,E)$

    ![$K_3$](20181031_1-ex_graph.png)

    ![$K_4$](20181031_1-k4.png)

    ![$K_5$](20181031_1-k5.png)

b) Kreisgraph $C_n$

    ![$C_4$](20181031_1-c4.png)

    ![$C_5$](20181031_1-c5.png)

    Allgemein für $V = \{ v_1, ..., v_n \}$ dann ist $E = \{ \{v_i, v_{i+1}\} |
    i \in \{1,..., n-1\} \} \cup \{v_n, v_1\}$

c) Pfad mit $n$ Knoten $P_n$

    ![Pfad](20181031_1-path.png)

d) $d$-dimensionaler Würfel $Q_d$

    Knoten sind alle Elemente aus $\{0,1\}^d$, $V = \{0,1\} \times ... \times
    \{0,1\} = \{0,1\}^d$ und es gibt eine Kante zwischen zwei Knoten genau
    dann, wenn sich die beiden Knoten an genau einer Stelle unterscheiden.


# Definition (Benachbart, Randknoten, Nachbarschaft, $k$-regulär)

Sei $G = (V, E)$ ein Graph.

a) Zwei Knoten $u,v \in V$ heißen *benachbart* oder *adjazent*, falls $e =
\{u,v\} \in E$. In diesem Fall heißen $u$ und $v$ *Randknoten* von $e$ oder
*inzident* zu $e$

b) Die Nachbarschaft eines Knoten $u \in V$ ist die Menge aller zu $u$
benachbarten Knoten.

    $$
    \Gamma(u) = \{ v \in V | \{u,v\} \in V \}
    $$

    Die Größe der Nachbarschaft eines Knotens $u$ heißt **Grad** von $u$

    $$
    deg(u) = | \Gamma(u) |
    $$

c) Ein Graph heißt **$k$-regulär**, falls gilt $deg(u) = k, \forall u \in V$


**Beispiel**: In $Q_2$ sind

* $(00)$ und $(01)$ Nachbarn
* $\Gamma((00)) = \{(01,10)\}$
* $Q_2$ ist 2-regulär, da $deg(u) = 2, \forall u \in V$
* $Q_d$ ist $d$-regulär
* Der Pfad $P_n$ ist nicht regulär


# Andere Darstellung eines Graphen

a) **Adjazenzmatrix**

    Wir stellen Nachbarschaftsbeziehungen, d.h. Kanten in Form einer Matrix
    dar. Genauer sei $G = (V, E)$ ein Graph mit $V = \{v_1, ..., v_n\}$.

    Die Adjazenzmatrix $A$ ist eine $n \times n$ Matrix $A = (a_{ij})$ wobei
    $a_{ij} = \begin{cases}
    1 & \{v_i, v_j\} \in E \\
    0 & \text{sonst}
    \end{cases}$

    **Beispiel 1**: ![Beispiel Graph](20181031_1-adj_ex.png)

    $$
    A = \left( \begin{matrix}
    0 & 1 & 1 & 1 \\
    1 & 0 & 0 & 0 \\
    1 & 0 & 0 & 1 \\
    1 & 0 & 1 & 0
    \end{matrix} \right)
    $$

b) **Inzidenzmatrix**

    Sei $G = (V,E)$ mit $V = \{v_1, ..., v_n\}$, $E = \{e_1, ..., e_m\}$. Die
    Inzidenzmatrix $B$ von $G$ ist eine $n \times m$ Matrix $B = (b_{ij})$
    wobei $b_{ij} = \begin{cases}
    1 & \text{falls } v_i \text{ inzident zu } e_j \\
    0 & \text{sonst}
    \end{cases}$.

    **Beispiel 2**: ![Beispiel Graph](20181031_1-inzidenz_ex.png)

    $$
    B = \left(\begin{matrix}
    1 & 0 \\
    1 & 1 \\
    0 & 1
    \end{matrix}\right)
    $$

    **Bemerkung**: Andere Nummerierung von Knoten und Kanten liefert andere
    Adjazenz- und Inzidenzmatrix.


**Nochmal Beispiel 1 und 2**:

In Beispiel 1 gilt
$$
deg(1) = 3 \\
deg(2) = 1 \\
deg(3) = 2 \\
deg(4) = 2
$$

Es gilt $deg(1) + deg(2) + deg(3) + deg(4) = 4 \cdot 2 = 8$ und es gibt zwei
Knoten mit ungeradem Grad.

In Beispiel 2 gilt
$$
deg(1) = 1 \\
deg(2) = 2 \\
deg(3) = 1 \\
\\
\sum\limits_{i=1}^3 deg(i) = 4 = 2 \cdot 2
$$

Und es gibt zwei Knoten mit ungeradem Grad.

Allgemein gilt:

# Satz

Sei $G = (V, E)$ ein Graph, dann gilt $\sum\limits_{u \in V} deg(u) = 2 |E|$

# Beweis

Durch doppeltes Abzählen der Inzidenzmatrix $B = (b_{ij})$.

a) Spaltensumme liefert in jeder Spalte 2. Da es genau $|E|$ Spalten gibt, ist
$\sum\limits_{i,j} b_{ij} = 2 |E|$

b) Zeilensumme liefert in Zeile $i$ $deg(v_i)$ und damit insgesamt
$\sum\limits_{i,j} b{ij} = \sum\limits_{v \in V} deg(v)$

$$
\tag*{$\Box$}
$$

**Folgerung**: Sei $G=(V,E)$ ein Graph. Die Anzahl der Knoten mit ungeradem
Grad ist gerade.

## Beweis

Wir teilen die Menge $V$ der Knoten in $V_1$ und $V_2$, wobei

$$
\begin{align*}
V_1 &= \{ v \in V | deg(v) \text{ ist ungerade} \} \\
V_2 &= \{ v \in V | deg(v) \text{ ist gerade} \} \\
\\
V_1 \cup V_2 &= V \\
V_1 \cap V_2 &= \emptyset
\end{align*}
$$

Es gilt

$$
\begin{align*}
& \sum\limits_{v \in V} deg(v) &= \sum\limits_{v \in V_1} deg(v) + \sum\limits_{v
\in V_2} deg(v) = 2 |E| \\
\Rightarrow & \sum\limits_{v \in V_1} deg(v) &= \underbrace{2 |E| - \sum\limits_{v
\in V_2} deg(v)}_\text{gerade} \\
\Rightarrow & \sum\limits_{v \in V_1} deg(v) \text{ ist gerade} \\
\Rightarrow & |V_1| \text{ ist gerade}
\end{align*}
$$

$$
\tag*{$\Box$}
$$


# Definition (Teilgraph/Untergraph)

Sei $G=(V,E)$ ein Graph.

a) Ein Graph $G' = (V',E')$ heißt Teilgraph von $G$, falls $V' \subseteq V$ und
$E' \subseteq E$.

b) Ein Teilgraph $G' = (V',E')$ heißt Untergraph von $G$, falls $E' = \{
\{u,v\} | u,v \in V' \land \{u,v\} \in E \} = E \cap \binom{V'}{2}$

**Beispiel**:

![$G$](20181031_1-ex_tg_ug.png)

dann ist ![$G$](20181031_1-ex_tg.png) ein Teilgraph von $G$ (aber kein
Untergraph)

und ![$G$](20181031_1-ex_ug.png) ist ein Untergraph von $G$

**Notation**: Sei $G=(V,E)$ ein Graph und $V' \subseteq V$, $E' \subseteq E$,
dann bezeichnet

a) $G[V']$ den von $V'$ induzierten Untergraph
b) $G \setminus E' = (V, E \setminus E')$
c) $G \setminus V' = (V \setminus V', E) = G[V \setminus V']$