Hamiltonkreisproblem

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Ein Hamiltonkreis ist ein geschlossener Pfad in einem Graphen, der jeden Knoten genau einmal enthält. Ob ein solcher Kreis in einem gegebenen Graphen besteht, ist ein fundamentales Problem der Graphentheorie. Im Gegensatz zum leicht lösbaren Eulerkreisproblem, bei dem alle Kanten genau einmal durchlaufen werden, ist das Hamiltonkreisproblem NP-vollständig.

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

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Definitionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 (oder Distanz) 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 (oder Hülle; -Hülle) eines Graphen ist der Obergraph von mit identischer Knotenmenge und zusätzlich iterativ eingefügten Kanten, die nichtadjazente (oder nichtbenachbarte; nichtverbundene) Knoten mit Gradsumme größer gleich miteinander verbinden, solange dies möglich ist. Der Hamiltonabschluss eines Graphen ist eindeutig.

Wichtige Aussagen und Sätze[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Sätze[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • 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 Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Jeder vollständige Graph mit ist hamiltonsch.
  • ist hamiltonsch, falls Kantengraph eines Eulerschen oder hamiltonschen Graphen ist.
  • ist genau dann hamiltonsch, wenn einen Teilgraphen (oder Subgraph) – bei dem nur Kanten entfernt wurden – besitzt, der Kantengraph eines Eulerschen oder hamiltonschen Graphen ist.
  • Jeder panzyklische Graph ist hamiltonsch.

Notwendige Kriterien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach der Vorstellung hinreichender Bedingungen nun eine Auswahl notwendiger Kriterien für die Existenz von Hamiltonkreisen. Besitzt einen Hamiltonkreis, so gilt:

  • besitzt keinen Schnittknoten,
  • besitzt keine Brücke,
  • der Blockgraph von ist ein isolierter Knoten,
  • besitzt einen 2-Faktor,
  • ist 2-zusammenhängend,
  • der Minimalgrad ist mindestens 2,
  • der Durchmesser von ist höchstens ,
  • ist 1-tough, d. h. für jede nicht-leere Menge von Knoten gilt, dass der Graph ohne diese Knoten höchstens Zusammenhangskomponenten besitzt, und
  • 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.

Vermutungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  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.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]