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diff --git a/buch/chapters/70-graphen/beschreibung.tex b/buch/chapters/70-graphen/beschreibung.tex index 845e640..5bae074 100644 --- a/buch/chapters/70-graphen/beschreibung.tex +++ b/buch/chapters/70-graphen/beschreibung.tex @@ -12,7 +12,7 @@ Zum Beispiel zeigt Kapitel~\ref{chapter:munkres}, wie man ein Zuordnungsproblem als Graphenproblem formulieren kann. Die Lösung erfolgt dann allerdings zweckmässigerweise unter Verwendung einer Matrix. -Ziel dieses Abschnitts ist, Graphen und ihre zugehörige Matrizen +Ziel dieses Abschnitts ist, Graphen und ihre zugehörigen Matrizen zu definieren und erste Eigenschaften des Graphen mit algebraischen Mitteln abzuleiten. Die Präsentation ist allerdings nur ein erster Einstieg, tiefer @@ -37,7 +37,7 @@ Die Unterschiede zeigen sich in der Art und Weise, wie die Knoten mit sogenannten Kanten \index{Kante}% verbunden werden. -Bei einen ungerichteten Graphen sind die beiden Endpunkte einer Kante +Bei einem ungerichteten Graphen sind die beiden Endpunkte einer Kante gleichwertig, es gibt keine bevorzugte Reihenfolge oder Richtung der Kante. Eine Kante ist daher vollständig spezifiziert, wenn wir die @@ -110,8 +110,8 @@ Ausderdem ist eine Kante $(a,a)$ wohldefiniert, also eine Kante, die vom Knoten $a$ wieder zu $a$ zurück führt. Man kann einen ungerichteten Graphen in einen gerichteten Graphen -verwandeln, indem jede Kante $\{a,b\}$ durch zwei Kanten -$(a,b)$ und $(b,a)$ ersetzt wird. +verwandeln, indem jede Kante $\{u,v\}$ durch zwei Kanten +$(u,v)$ und $(v,u)$ ersetzt wird. Aus dem ungerichteten Graphen $(V,E)$ mit Knotenmenge $V$ und Kantenmenge $E$ wird so der gerichtete Graph $(V,E')$ mit der Kantenmenge @@ -119,13 +119,13 @@ $(V,E')$ mit der Kantenmenge E' = \{ -(a,e) +(u,v) \,|\, -\{a,e\}\in E +\{u,v\}\in E \}. \end{equation*} Eine umgekehrte Zuordnung eines gerichteten zu einem ungerichteten -Graphen ist nicht möglich, da eine ``Schleife'' $(a,a)$ nicht in eine Kante +Graphen ist nicht möglich, da eine ``Schleife'' $(v,v)$ nicht in eine Kante des ungerichteten Graphen abgebildet werden kann. In einem gerichteten Graphen kann man sinnvoll von gerichteten Pfaden @@ -224,8 +224,8 @@ enhält. Die zugehörigen Matrixelemente schreiben wir $a_{ji}^{n}$ bzw.~$a_{ji}^{(n)}$. Wir haben also zu zeigen, dass $A^n = A^{(n)}$. -Wir beweisen, dass $A^n$ Pfade der Länge $n$ zählt, mit Hilfe von -vollständiger Induktion. +Wir beweisen mit Hilfe von vollständiger Induktion, +dass $A^n$ Pfade der Länge $n$ zählt. Es ist klar, dass $A^1$ die genannte Eigenschaft hat. Der Fall $A^1$ dient daher als Induktionsverankerung. @@ -233,7 +233,7 @@ Wir nehmen daher im Sinne einer Induktionsannahme an, dass bereits bewiesen ist, dass das Element in Zeile $j$ und Spalte $i$ von $A^{n-1}$ die Anzahl der Pfade der Länge $n-1$ zählt, dass also $A^{n-1}=A^{(n-1)}$. -Dies ist die Induktionsannahme. +%Dies ist die Induktionsannahme. Wir bilden jetzt alle Pfade der Länge $n$ von $i$ nach $k$. Ein Pfad der Länge besteht aus einem Pfad der Länge $n-1$, der von $i$ zu @@ -294,7 +294,8 @@ sind. \caption{Peterson-Graph mit zehn Knoten. \label{buch:figure:peterson}} \end{figure} -Der Peterson-Graph hat die Adjazenzmatrix +Der Peterson-Graph von Abbildung~\ref{buch:figure:peterson} +hat die Adjazenzmatrix \[ G = @@ -376,7 +377,7 @@ ist eine Abbildung $l\colon E\to L$. \index{Beschriftung}% \end{definition} -Einen gerichteten, beschrifteten Graphen können wir gleichwertig +Einen gerichteten, beschrifteten Graphen können wir statt mit einer Beschriftungsabbildung $l$ auch dadurch erhalten, dass wir Kanten als Tripel betrachten, die ausser den Knoten auch noch den Wert der Beschriftung enthalten. @@ -386,12 +387,12 @@ noch den Wert der Beschriftung enthalten. Ein gerichteter Graph mit beschrifteten Kanten ist eine Menge $V$ von Knoten und eine Menge von beschrifteten Kanten der Form \[ -E \{ (a,b,l)\in V^2\times L\;|\; \text{Eine Kante mit Beschriftung $l$ führt von $a$ nach $b$}\}. +E \{ (u,v,l)\in V^2\times L\;|\; \text{Eine Kante mit Beschriftung $l$ führt von $u$ nach $v$}\}. \] Die Menge $L$ enthält die möglichen Beschriftungen der Kanten. \end{definition} -Diese Definition gestattet, dass zwischen zwei Knoten $a$ und $e$ +Diese Definition gestattet, dass zwischen zwei Knoten $u$ und $v$ mehrere Kanten vorhanden sind, die sich durch die Beschriftung unterscheiden. @@ -492,13 +493,13 @@ negativ. \subsubsection{Anwendung: Netlist} Eine natürliche Anwendung eines gerichteten und beschrifteten Graphen -ist eine eletronische Schaltung. +ist eine elektronische Schaltung. Die Knoten des Graphen sind untereinander verbundene Leiter, sie werden auch {\em nets} genannt. Die beschrifteten Kanten sind die elektronischen Bauteile, die solche -Nets miteinander verbinden. +nets miteinander verbinden. Die Inzidenzmatrix beschreibt, welche Anschlüsse eines Bauteils mit -welchen Nets verbunden werden müssen. +welchen nets verbunden werden müssen. Die Informationen in der Inzidenzmatrix werden also in einer Applikation zum Schaltungsentwurf in ganz natürlicher Weise erhoben. @@ -547,9 +548,10 @@ $L(G)=B(G')B(G')^t$ nach \eqref{buch:graphen:eqn:gradmatrix} genau die Elemente der Gradmatrix $D(G)$. Die ausserdiagonalen Elemente sind nach \eqref{buch:graphen:eqn:ausserdiagonal} -genau dann, wenn es in $G$ eine Verbindung zwischen den beiden Knoten -gibt. -Dies sind die Elemente von $-A(G)$. +genau dann von $0$ verschieden, wenn es in $G$ eine Verbindung zwischen +den beiden Knoten gibt. +Im Produkt $B(G')B(G')^t$ summieren sie sich zu den ausserdiagonalen +Elementen von $-A(G)$. Damit ist die Formel \eqref{buch:graphen:eqn:laplace-definition} nachgewiesen. diff --git a/buch/chapters/70-graphen/chapter.tex b/buch/chapters/70-graphen/chapter.tex index 1fb61b6..14240f4 100644 --- a/buch/chapters/70-graphen/chapter.tex +++ b/buch/chapters/70-graphen/chapter.tex @@ -22,8 +22,7 @@ Die Bedeutung des Graphenkozeptes wird unterstrichen von der Vielzahl von Fragestellungen, die über Graphen gestellt worden sind, und der zugehörigen Lösungsalgorithmen, die zu ihrer Beantwortung gefunden worden sind. -Die Komplexitätstheorie hat sogar gezeigt, dass sich jedes diskrete -\index{Komplexitätstheorie}% +Die Komplexitätstheorie hat sogar gezeigt, dass sich jedes NP-vollständige Problem in ein Graphenproblem umformulieren lässt. \index{Komplexitätstheorie}% @@ -46,7 +45,7 @@ ins gleiche Zeitintervall geplant werden. Das zugehörige abstrakte Graphenproblem heisst das Färbeproblem: \index{Färbeproblem}% ist es möglich, mit einer beschränkten Anzahl von Farben, oder im -vorliegenden Fall Zeitintervalle, die Knoten +vorliegenden Fall Zeitintervallen, die Knoten des Graphen so einzufärben, dass benachbarte Knoten niemals die gleiche Farbe haben. diff --git a/buch/chapters/70-graphen/spektral.tex b/buch/chapters/70-graphen/spektral.tex index b718b65..9767c71 100644 --- a/buch/chapters/70-graphen/spektral.tex +++ b/buch/chapters/70-graphen/spektral.tex @@ -26,7 +26,7 @@ chromatischen Zahl und der Unabhängigkeitszahl erfasst werden. \begin{definition} Die {\em chromatische Zahl} $\operatorname{chr}G$ eines Graphen $G$ ist -die minimale Anzahl von Farben, die Einfärben der Knoten eines Graphen +die minimale Anzahl von Farben, die zum Einfärben der Knoten eines Graphen nötig sind, sodass benachbarte Knoten verschiedene Farben haben. \index{chromatische Zahl} \end{definition} @@ -158,7 +158,7 @@ $\operatorname{chr}G \le d+1$. Wir führen den Beweis mit Hilfe von vollständiger Induktion nach der Anzahl Knoten eines Graphen. Ein Graph mit nur einem Knoten hat keine Kanten, der maximale Grad ist -daher $0$ und $d+1=1$ Farbe reicht auch tatsächlich zur Einfärbung des +daher $d=0$ und $d+1=1$ Farbe reicht auch tatsächlich zur Einfärbung des einen Knotens. Wir nehmen jetzt an, die Behauptung sei für Graphen mit $n-1$ Knoten bereits @@ -220,7 +220,7 @@ Somit ist \end{equation} der {\em mittlere Grad}, der mit $\overline{d}$ bezeichnet werden soll. Da die Kanten eines Graphen zusammen $2\cdot|E|$ Enden haben, kann -er kann auch als +er auch als \[ \overline{d}=\frac{2\cdot|E|}{|V|} \] @@ -257,7 +257,9 @@ ist der grösste Eigenwert, also genau die Grösse, auf die die Sätze~\ref{buch:wahrscheinlichkeit:satz:perron-frobenius} und \ref{buch:wahrscheinlichkeit:satz:perron-frobenius2} anwendbar sind. -Dazu muss die Matrix allerdings primitiv sein, was gleichbedeutend +Dazu muss die Matrix allerdings primitiv sein +(Definition~\ref{buch:positiv:def:primitiv} in Kapitel~\ref{buch:chapter:wahrscheinlichkeit}), +was gleichbedeutend \index{primitive Matrix}% ist damit, dass der Graph zusammenhängend ist. Im folgenden soll dies daher jeweils angenommen werden. @@ -292,8 +294,8 @@ Schreiben wir $u\sim v$ für die Nachbarschaftsrelation, dann ist = \sum_{u\sim v} f(u). \] -Die Summe der Komponenten $A(G)f$ kann man erhalten durch Multiplikation -von $A(G)f$ mit einem Zeilenvektor $U^t$ aus lauter Einsen, also +Die Summe der Komponenten $A(G)f$ kann man durch Multiplikation +von $A(G)f$ mit einem Zeilenvektor $U^t$ aus lauter Einsen erhalten, also \begin{equation} \begin{aligned} {\color{red} diff --git a/buch/chapters/70-graphen/waerme.tex b/buch/chapters/70-graphen/waerme.tex index bfeff74..ac49880 100644 --- a/buch/chapters/70-graphen/waerme.tex +++ b/buch/chapters/70-graphen/waerme.tex @@ -5,6 +5,7 @@ % \section{Wärmeleitung auf einem Graphen \label{buch:section:waermeleitung-auf-einem-graphen}} +\rhead{Wärmeleitung auf einem Graphen} Die Vektoren, auf denen die Laplace-Matrix operiert, können als Funktionen betrachtet werden, die jedem Knoten einen Wert zuordnen. Eine mögliche physikalische Interpretation davon ist die Temperaturverteilung @@ -44,8 +45,6 @@ wird, codiert ebenfalls wesentliche Informationen über den Graphen. Je mehr Kanten es zwischen verschiedenen Teilen eines Graphen gibt, desto schneller findet der Wärmeaustausch zwischen diesen Teilen statt. -Die Lösungen der Wärmeleitungsgleichung liefern also Informationen -über den Graphen. \subsection{Eigenwerte und Eigenvektoren \label{buch:subsection:ein-zyklischer-graph}} @@ -165,13 +164,13 @@ s_k(l) &= \sin\frac{2\pi kl}{n} = -\Im \chi_k(l) +\Im \chi_k(l), \\ c_k(l) &= \cos\frac{2\pi kl}{n} = -\Re\chi_k(l) +\Re\chi_k(l). \end{aligned} \] Das Skalarprodukt dieser Funktionen ist @@ -189,14 +188,16 @@ e^{\frac{2\pi i}{n}(m'-m)l} = \delta_{mm'} \] -Die Funktionen bilden daher eine Orthonormalbasis des Raums der -Funktionen auf $G$. +Die Funktionen bilden daher eine Orthonormalbasis des komplexen +Vektorraums der +komplexen Funktionen auf $G$ mit dem sesquilinearen Skalarprodut. Wegen $\overline{e_m} = e_{-m}$ folgt, dass für gerade $n$ die Funktionen \[ c_0, c_1,s_1,c_2,s_2,\dots c_{\frac{n}2-1},c_{\frac{n}2-1},c_{\frac{n}2} \] -eine orthonormierte Basis. +eine orthonormierte Basis des reellen Vektorraumes der reellen Funktionen +auf $G$ mit dem gewöhnlichen Skalarprodukt. \subsection{Standardbasis und Eigenbasis \label{buch:subsection:standardbasis-und-eigenbasis}} diff --git a/buch/chapters/70-graphen/wavelets.tex b/buch/chapters/70-graphen/wavelets.tex index 073deab..c453eb9 100644 --- a/buch/chapters/70-graphen/wavelets.tex +++ b/buch/chapters/70-graphen/wavelets.tex @@ -18,7 +18,11 @@ Wenn man einen Standardbasisvektor in einem Knoten $i$ als Anfangstemperaturverteilung verwendet, erwartet man eine Lösung, die für kleine Zeiten $t$ die Energie immer in der Nähe des Knotens $i$ konzentriert hat. -Weder die Standardbasis noch die Eigenbasis haben diese Eigenschaft. +Es werden daher mit der Zeit immer stärkere benachbarte Standardbasisvektoren +in der Lösung auftreten. +Auch die Eigenbasis hilft nicht, dieses Lösungsverhalten aufzuzeigen: +sie sind im Definitionsgebiet stark delokalisiert und daher die allmählich +abnehmende Lokalisierung der Lösung nicht wiedergeben. \subsection{Vergleich mit der Wärmeleitung auf $\mathbb{R}$} Ein ähnliches Phänomen findet man bei der Wärmeausbreitung gemäss @@ -29,7 +33,7 @@ der partiellen Differentialgleichung Die von Fourier erfundene Methode, die Fourier-Theorie, verwendet die Funktionen $e^{ik x}$, die Eigenvektoren der zweiten Ableitung $\partial^2/\partial x^2$ sind. -Diese haben das gleiche Problem, der Betrag von $e^{ikx}$ ist $1$, die +Diese haben das gleiche Problem: Der Betrag von $e^{ikx}$ ist $1$, die Entfernung von einem Punkt spielt überhaupt keine Rolle. Die Funktion \[ @@ -90,7 +94,7 @@ wenigstens ablesen, dass für zunehmende Zeit die hohen Frequenzen sehr schnell gedämpft werden. Die hohen Frequenzen erzeugen also den scharfen Peak für Zeiten nahe -beim Knoten $i$, die zu kleineren $\lambda_i$ beschreiben die Ausbreitung +beim Knoten $i$, die kleineren $\lambda_i$ beschreiben die Ausbreitung über grössere Distanzen. Die Fundamentallösung interpoliert also in einem gewissen Sinne zwischen den Extremen der Standardbasis und der Eigenbasis. @@ -142,7 +146,7 @@ Es stellt sich daher die Frage, ob man für eine beliebige Menge \( T= \{ t_1,t_2,\dots\} \) -von Streckungsfaktoren eine Familie von Funktionen $\chi_j$ zu finden +von Streckungsfaktoren eine Familie von Funktionen $\chi_j$ finden derart, dass man sich die $\chi_j$ in einem gewissen Sinn als aus $\chi_0$ durch Dilatation entstanden vorstellen kann. @@ -174,8 +178,8 @@ die in der Umgebung eines Knotens wie die konstante Funktion aussehen. Das Mutter-Wavelet einer Wavelet-Analyse definiert, in welchem Mass sich Funktionen im Orts- und im Frequenzraum lokalisieren lassen. Die Standardbasis der Funktionen auf einem Graphen repräsentieren die -perfekte örtliche Lokalisierung, Eigenbasis der Laplace-Matrix $L$ repräsentiert -die perfekte Lokalisierung im Frequenzraum. +perfekte örtliche Lokalisierung, die Eigenbasis der Laplace-Matrix +$L$ repräsentiert die perfekte Lokalisierung im Frequenzraum. Sei $g(\lambda)\ge 0$ eine Funktion im Frequenzraum, die für $\lambda\to0$ und $\lambda\to\infty$ rasch abfällt mit einem Maximum irgendwo dazwischen (Abbildung~\ref{buch:graphs:fig:lokalisierung}). @@ -190,11 +194,13 @@ Natürlich sind vor allem die Werte auf den Eigenwerten $\lambda_0 < \lambda_1\le \dots\le \lambda_n$ der Laplace-Matrix von Interesse. -Die Matrix $g(L)$ kann mit Hilfe der Spektraltheorie berechnet werden, +Die Matrix $g(L)$ kann mit Hilfe der Spektraltheorie +von Abschnitt~\ref{buch:section:spektraltheorie} +berechnet werden, was im vorliegenden Fall naheliegend ist, weil ja die Eigenvektoren der Laplace-Matrix bereits bekannt sind. Die Matrix $\chi^t$ bildet die Standardbasisvektoren in die -Eigenbasis-Vektoren ab, also in eine Zerlegung im Frequenzraum ab, +Eigenbasis-Vektoren ab, also in eine Zerlegung im Frequenzraum, $\chi$ vermittelt die Umkehrabbildung. Mit der Spektraltheorie findet man für die Abbildung $g(L)$ die Matrix \begin{equation} @@ -255,7 +261,7 @@ Wir erhalten daher in den Spalten von $h(L)$ Vektoren, die um die einzelnen Knoten lokalisiert sind. \subsubsection{Rekonstruktion} -Die Operatoren $h(L)$ und $g_i(L)$ erzeugen analysieren eine Funktion +Die Operatoren $h(L)$ und $g_i(L)$ analysieren eine Funktion nach den verschiedenen Frequenzen mit den Skalierungsfaktoren $a_i$, aber die Rekonstruktion ist noch nicht klar. Diese wäre einfacher, wenn die Operatoren zusammen die identische |