Graphenalgorithmen

Teil des Talit Programmierkurses.

Was ist der schnellste Weg von der KSR an den Bahnhof Romanshorn? Von Romanshorn nach Rom? Wie kann ein Staubsaugroboter auf dem kürzesten Weg die ganze Wohnung staubsaugen?

Wie können wir die Probleme überhaupt mathematisch formulieren, so dass wir sie mit einem Algorithmus lösen können?

Alle diese Probleme lassen sich mit mit Graphen formulieren und mit Graphenalgorithmen lösen. Graphen sind eine wichtige Datenstruktur in der Informatik. In der Talit kümmern wir uns erst einmal darum, wie wir einen Graph effizient beschreiben können; anschliessend schreiben wir Code, um verschiedene Eigenschaften von Graphen zu untersuchen - und vielleicht schneller nach Rom zu gelangen.

Wie könnten wir das Weg-Problem (von der KSR an den Bahnhof) abstrakt erfassen? Wir könnten die verschiedenen Wege zum Beispiel so erfassen:

Fig. 1: Graph mit drei Pfaden zum Bahnhof

Aus was besteht ein Graph? Aus Knoten (en. nodes oder vertices) und Kanten (edges). In unserem Fall haben die Kanten Gewichte, die die Länge oder Fahrtdauer der einzelnen Strecken repräsentieren.

Wie könnten wir diesen Graphen in Python repräsentieren?

Adjazenzmatrix

Einen Graphen mit m Knoten speichern wir als m*m Matrix. Eine zweidimensionale Matrix ist nichts anderes als eine Liste von Listen gleicher Länge. In jedem Feld speichern wir True, wenn eine Verbindung zwischen den zwei Knoten besteht, sonst False.

matrix.py
graph = [
    # KSR, Sek, Bahnhofstr, Hafenstrasse, Zelgstrasse, Bahnhof
    [ False, True, False, False, False, False],  # KSR
    [ True, False, True, True, True, False],     # Sek
    [ False, True, False, False, False, True],   # Bahnhofstrasse
    [ False, True, False, False, False, True],   # Hafenstrasse
    [ False, True, False, False, False, True],   # Zelgstrasse
    [ False, False, True, True, True, False],    # Bahnhof
]

Hat der Graph Gewichte, speichern wir das Gewicht, -1 falls es keine Verbindung gibt:

matrix.py
graph = [
    # KSR, Sek, Bahnhofstr, Hafenstrasse, Zelgstrasse, Bahnhof
    [ -1, 1, -1, -1, -1, -1],  # KSR
    [ 1, -1, 3, 5, 7, -1],     # Sek
    [ -1, 3, -1, -1, -1, 7],   # Bahnhofstrasse
    [ -1, 5, -1, -1, -1, 6],   # Hafenstrasse
    [ -1, 7, -1, -1, -1, 5],   # Zelgstrasse
    [ -1, -1, 7, 6, 5, -1],    # Bahnhof
]
Aufgabe 1a

Codiere eine Funktion, die für eine Adjazenzmatrix und zwei Knotenindices zurückgibt, ob es eine direkte Verbindung gibt zwischen den Knoten:

def has_direct_connection(matrix, n1, n2):
    pass

Hinweis:

Adjazenzliste

Die Matrix wird ziemlich gross, sie wächst mit dem Quadrat der Anzahl Knoten m. Meist existieren aber lange nicht alle möglichen Kanten in einem Graphen, dann ist es viel effizienter, nur die Liste der Kanten abzuspeichern. Das geht am besten mit Dictionaries, das sind Listen, die für jeden Eintrag einen Schlüssel (Key) haben, dem ein Wert (Value) zugeordnet ist.

adjacencylist.py
graph = {
    "ksr": {"sek": 1},
    "sek": {"bahnhofstr": 3, "hafenstr": 5, "zelgstr": 7},
    "bahnhofstr": {"bahnhof": 7},
    "hafenstr": {"bahnhof": 6},
    "zelgstr": {"bahnhof": 5},
    "bahnhof": {},
}

Achtung: Die obige Adjazenzliste codiert einen gerichteten Graphen - die Kanten zwischen zwei Knoten haben eine Richtung. Besteht eine Kante von A nach B, bedeutet das nicht automatisch, dass auch eine Kante von B nach A verläuft.

Aufgabe 1b

Schreibe eine Funktion has_direction_connection(list, n1, n2) die für die Adjazenzliste funktioniert.

Hinweise:

Bevor wir den schnellsten Weg an den Bahnhof zu finden versuchen, wären wir schon mal nur froh, überhaupt einen Weg zu finden. Es könnte ja auch sein, dass wir uns in die Turnhalle begeben, von wo kein Weg zum Bahnhof führt. Oder dass wir von der Bahnhofstrasse zurück zur KSR gelangen:

Graph
Fig. 2: Detaillierter Graph von der KSR zum Bahnhof

Aufgabe 2

  • Codiere obigen Graphen als Adjazenzliste in Python.
  • Überlege dir, wie du einen möglichen Pfad generieren kannst, der vom ersten zum letzten Knoten führt. Der Pfad soll als Liste von Knotennamen dargestellt werden - z.B. ["KSR", "Sek", "Bahnhofstr", "Bahnhof"].

Hinweise:

Lösung:

Obiger Algorithmus heisst Tiefensuche (Depth First Search - DFS): Wenn wir an einen neuen Knoten gelangen, suchen wir bei jedem Nachbar-Knoten bis wir entweder eine Lösung gefunden haben oder gescheitert sind. Erst dann besuchen wir den nächsten Nachbar.

Tiefensuche können wir auch verwenden, um Zyklen zu finden. Ein Zyklus ist ein Pfad, bei dem vom letzten Knoten wieder der erste erreichbar ist.

Aufgabe 3a

Schreibe Python-Code, der herausfindet, ob ein Graph zyklenfrei ist. D.h. der Code versucht einen Zyklus zu finden und gibt False genau dann zurück, wenn er mindestens einen findet.

Aufgabe 3b

Schreibe rekursiven Python-Code, der alle Zyklen in einem Graphen findet.

  • Funktioniert der Code auch, wenn sich die Zyklen überschneiden?

Lösung:

Aufgabe 4 - Graph Walk

Wir haben die Tiefensuche nun auf verschiedene Probleme angewendet. Im Allgemeinen haben wir eine Traversierung implementiert, die einen Graphen linearisiert, das heisst, jeden Knoten in einer bestimmten Reihenfolge genau einmal besucht.

Aufgabe: Schreibe eine Funktion dfs(graph), die die Knoten eines Graphen mittels Tiefensuche ausgibt.

  • Die Ausgabe kann mit print() erfolgen oder eine Liste zurückgeben.
  • Herausforderung: schreibe eine Generator-Funktion mit dem yield Keyword.

Lösung:

Mit der Tiefensuche finden wir Pfade von A nach B in einem Graphen, aber vielleicht nehmen wir dabei grosse Umwege in Kauf, weil wir zuerst weit von A entfernte Knoten besuchen, bevor wir alle Nachbarn von A untersuchen. Wir möchten aber eine Möglichkeit haben, den Graphen der Nähe nach zu besuchen, also die Knoten in aufsteigender Distanz von A zu besuchen. Dieses Verfahren heisst Breitensuche (Breadth First Search - BFS).

Aufgabe 5

Überlege dir, wie du vorgehen könntest, um zuerst die unmittelbaren Knoten des Starts zu besuchen, und nur allmählich weitere Kanten zu traversieren. Ignoriere die Kantengewichte dabei erst mal - du kannst von einem ungewichteten Graphen ausgehen.

Hinweise:

  • Breitensuche lässt sich nicht (einfach) mit Rekursion lösen.
  • YouTube VisualisierungBFS vs. DFS
  • Ordne den Graphen in Schichten nach aufsteigender Distanz (Anzahl Knoten) vom Start.
    • Wir möchten zuerst alle Knoten einer Schicht besuchen, bevor wir uns die nächste Schicht vornehmen:
      1. Zuerst die KSR
      2. Dann die Turnhalle, Weitenzelgstrasse und die Sek
      3. Dann die Bahnhofstrasse, Zelgstrasse, Hafenstrasse
      4. Schlussendlich den Bahnhof
  • Wir teilen die Knoten in drei Bereiche:
    • Bereits besuchte Knoten, am effizientesten in einem Set: visited = set().
    • Entdeckte, aber noch nicht besuchte Knoten in einer Liste: candidates = [start]
    • Noch unbekannte Knoten (brauchen wir uns nicht zu merken).
  • Solange candidates nicht leer ist, wird der vorderste Knoten node in candidates entfernt.
    • Falls node bereits in visited ist, gehen wir zum nächsten (er wurde mehrfach entdeckt über verschiedene Pfade).
    • Andernfalls: wird node zu visited hinzugefügt.
      • Falls node == end sind wir fertig.
      • Alle Nachbarknoten von node, die noch nicht in visited sind, werden hinten in die candidates eingereiht.

Lösung:

Aufgabe 6: Pfadsuche mit BFS

Implementiere die Pfadsuche auch mit BFS. Wie zeichnen sich die gefundenen Pfade aus?

Hinweise:

Lösung:

Wir wollen unsere Algorithmen an einem etwas grösseren Beispiel testen. Der Schweizer ÖV-Fahrplan listet über 34'000 Haltepunkte auf, und wir wollen Verbindungen zwischen allen möglichen Stationen herausfinden und die Resultate vergleichen.

Der Datenbestand enthält als Adjazenz-Liste alle Haltepunkte, die mit einer Non-Stop-Verbindung zu erreichen sind. Die Nachbarknoten von Romanshorn sind also beispielsweise Amriswil, Egnach und Konstanz, aber nicht Frauenfeld. Zusätzlich enthält die Liste die reine Fahrtdauer in Minuten. Bei Transfer-Verbindungen (Romanshorn - Romanshorn, Bahnhof) ist statt der Fahrzeit die Umsteigezeit angegeben.

>>> import fahrplan
>>> sbb = fahrplan.latest
>>> sbb['Romanshorn']
{'Amriswil': 5, 'Egnach': 1, 'Konstanz': 17, 'Kreuzlingen Hafen': 14, 'Neukirch-Egnach': 2, 'Romanshorn': 3, 'Romanshorn (See)': 5, 'Romanshorn Autoquai': 6, 'Romanshorn, Bahnhof': 3, 'St. Gallen': 18, 'Uttwil': 3, 'Weinfelden': 13, 'Wittenbach': 11}

Aufgabe 7: Real-World Beispiel

import fahrplan
 
# Read schedule
sbb = fahrplan.latest
 
# Find path - depth-first.
# We may need to increase python's recursion depth...
import sys
sys.setrecursionlimit(10000)
 
dfs_path = find_path_dfs(sbb, "Romanshorn", "Lugano")
 
# Find path - breadth-first.
bfs_path = find_path_bfs(sbb, "Romanshorn", "Lugano")
Fragen
  • Hm, der DFS-Pfad scheint nicht wirklich optimal zu sein - weshalb?
  • Was hat es mit der Rekursionstiefe auf sich?
  • Der BFS-Pfad ist deutlich besser - BFS findet nämlich den Pfad mit den wenigsten Segmenten. Aber ist das bereits der schnellste Pfad?

In einem ungewichteten Graph finden wir mit der Breitensuche den kürzesten Weg, also den Pfad mit den wenigsten Segmenten. Ist der Pfad aber gewichtet (wie der Haltestellen-Graph mit Minuten-Angaben zu den Reisezeiten), so ist der Weg mit den wenigsten Segmenten nicht unbedingt der schnellste.

Unser Ziel ist es, die Knoten in aufsteigender Distanz von start zu besuchen. Wir teilen die Knoten in drei Gruppen:

  1. die bereits besuchten Knoten
  2. die entdeckten (aber noch nicht besuchten Knoten): candidates
  3. alle anderen, noch unentdeckten Knoten

Der Algorithmus basiert auf dem folgenden Prinzip:

  • Die Kandidaten sind nach aufsteigender Distanz zum Startknoten sortiert.
    • Hier liegt der Unterschied zu BFS: statt die neu-entdeckten Kandidaten einfach hinten einzureihen, werden sie nach aufsteigender Distanz zum Start sortiert.
    • Für die effiziente Sortierung der Kandidaten benützen wir eine PriorityQueue.
  • Der vorderste Kandidat ist immer der nächste Knoten in aufsteigender Distanz von start her.
    • Beweis: gäbe es einen Knoten x der näher bei start liegt, so wäre dessen Vorläufer-Knoten bereits besucht worden und die geringere Distanz von x wäre bereits bekannt geworden.
    • Achtung: für alle weiteren Kandidaten stimmt die Sortierung noch nicht definitiv: möglicherweise gibt es einen kürzeren Pfad als den bekannten via einen weiter vorne liegenden Kandidaten, dessen Nachbarn noch nicht bekannt sind!
import queue.PriorityQueue
# Create the queue.
candidates = PriorityQueue()
# Add a tuple (distance, node) to the queue.
candidates.put((0, start))
 
# ...
 
while candidates:
    # Pop the next candidate off the queue - it is the nearest
    # of all known candidates.
    distance, node = candidates.get()
  • Für alle besuchten oder entdeckten Knoten merken wir uns die kürzeste bekannte Distanz von start in einem Dictionary distances.
  • Beim Besuch des vordersten Knotens node gehen wir wie folgt vor:
    • wenn node == end, so haben wir den kürzesten Pfad gefunden.
    • alle Nachbarn neighbor von node werden untersucht:
    for neighbor, edge in graph[node].items():
  • wir berechnen die Distanz von start zu neighbor via node aus der Distanz von node und der Kantenlänge von node zu neighbor:
        new_distance = distance + edge
  • in distances schauen wir nach, ob der Knoten bereits bekannt ist. Die get Funktion eines Dictionary gibt das zweite Argument zurück, wenn der Key nicht gefunden wird - in unserem Fall unendlich (math.inf).
        old_distance = distances.get(neighbor, inf)
  • falls die neue Distanz kürzer ist, merken wir uns die Distanz und fügen den Knoten an der richtigen Stelle in candidates ein.
  • zusätzlich unterhalten wir wie bei BFS ein Dictionary mit den Elternknoten jedes Knotens, um daraus den Pfad aufzubauen, wenn wir ans Ziel gelangt sind.

Der Aufbau des Pfades mithilfe der Elternknoten erfolgt gleich wie bei BFS.

Lösung

Mit Folium lassen sich die gefundenen Pfade hübsch visualiseren. Der Code für untenstehende Grafik findet sich auf github.

Fig. 3: Pfad von Romanshorn nach Bern — Rot: BFS, Grün: DFS, Blau: Dijkstra
  • talit/algorithmen.1741034573.txt.gz
  • Zuletzt geändert: 2025-03-03 20:42
  • von hof