Breitensuche | ||||||||||||
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Reihenfolge im Beispielbaum | ||||||||||||
Allgemeine Daten | ||||||||||||
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Breitensuche (Breadth First Search) ist ein Fachbegriff der Informatik, welcher ein Verfahren zum Durchsuchen bzw. Durchlaufen der Knoten eines Graphens bezeichnet. Sie zählt zu den uninformierten Suchalgorithmen.
Die Breitensuche ist eine Uninformierte Suche, welche durch Expansion der einzelnen Level der Graphen ausgehend vom Startknoten den Graph in die Breite nach einem Element durchsucht.
Zuerst wird ein Startknoten u ausgewählt. Von diesem Knoten aus wird nun jede Kante (u,v) betrachtet und getestet, ob der gegenüberliegende Knoten v schon entdeckt wurde bzw. das gesuchte Element ist. Ist dies noch nicht der Fall, so wird der entsprechende Knoten in einer Warteschlange gespeichert und im nächsten Schritt bearbeitet. Hierbei ist zu beachten, dass Breitensuche immer zuerst alle direkt nachfolgenden Knoten bearbeitet, und nicht wie die Tiefensuche einem Pfad in die Tiefe folgt. Nachdem alle Kanten des Ausgangsknotens betrachtet wurden, wird der erste Knoten der Warteschlange entnommen, und das Verfahren wiederholt.
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Eine Landkarte von Deutschland mit den Verbindungen zwischen einigen Städten.
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Da alle bisher entdeckten Knoten gespeichert werden beträgt der Speicherplatzverbrauch von Breitensuche wobei für die Anzahl der Knoten und für die Anzahl der Kanten im Graph steht. Somit ist Breitensuche aufgrund des immensen Platzverbrauches für größere Probleme ungeeignet.
Ein der Breitensuche ähnliches Verfahren, jedoch mit deutlich geringerem Speicherplatzverbrauch, ist die iterative Tiefensuche.
Da im schlimmsten Fall alle möglichen Pfade zu allen möglichen Knoten betrachtet werden müssen beträgt die Laufzeit von Breitensuche wobei für die Anzahl der Knoten (Vertex) und für die Anzahl der Kanten (Edge) im Graph steht.
Wenn in jedem Knoten nur endlich viele Alternativen existieren ist Breitensuche vollständig. Dies bedeutet, dass, wenn eine Lösung existiert, diese auch gefunden wird. Dies ist unabhängig davon, ob der zugrundeliegende Graph endlich ist oder nicht. Sollte jedoch keine Lösung existieren, so divergiert die Breitensuche bei einem unendlichen Graphen.
Breitensuche ist im allgemeinen nicht optimal, da immer das Ergebnis mit dem kürzesten Pfad zum Anfangsknoten gefunden wird. Führt man Kantengewichte ein, so muss das Ergebnis, welches am nächsten zum Startknoten liegt, nicht notwendigerweise auch das Ergebnis mit den geringsten Pfadkosten sein. Dieses Problem umgeht man, indem man die Breitensuche zur Uniformen Kostensuche erweitert. Sind jedoch alle Kantengewichte äquivalent, so ist die Breitensuche optimal, da in diesem Fall die Lösung, die am nächsten zum Ausgangsknoten liegt, auch die Lösung mit den geringsten Kosten ist.
Uniforme Kostensuche (Uniform Cost Search) ist eine Modifizierung der Breitensuche. Der Unterschied besteht darin, dass bei der Uniformen Kostensuche die Kanten gewichtet sind. Der Algorithmus geht nun entlang der geringsten Gewichte (Kosten) der Kanten und findet so die optimale Lösung. Außerdem muss gelten, dass die Pfadkosten mit zunehmender Tiefe im Suchbaum nicht kleiner werden, die Kosten eines Knotens also nicht negativ sind. Andernfalls würde die Uniforme Kostensuche nicht die günstigste Lösung finden können.
Die Breitensuche kann für viele Fragestellungen in der Graphentheorie verwendet werden. Einige sind: