Interested Article - Паросочетание

В теории графов паросочетание , или независимое множество рёбер в графе, — это набор попарно несмежных рёбер.

Определение

Пусть дан граф G = ( V , E ), паросочетание M в G — это множество попарно несмежных рёбер, то есть рёбер, не имеющих общих вершин, т.е. .

Связанные определения

Максимальное паросочетание — это такое паросочетание M в графе G , которое не содержится ни в каком другом паросочетании этого графа, то есть к нему невозможно добавить ни одно ребро, которое бы являлось несмежным ко всем рёбрам паросочетания. Другими словами, паросочетание M графа G является максимальным, если любое ребро в G имеет непустое пересечение, по крайней мере, с одним ребром из M . Ниже приведены примеры максимальных паросочетаний (красные рёбра) в трёх графах .

Наибольшее паросочетание (или максимальное по размеру паросочетание )— это такое паросочетание, которое содержит максимальное количество рёбер. Число паросочетания графа — это число рёбер в наибольшем паросочетании. У графа может быть множество наибольших паросочетаний. При этом любое наибольшее паросочетание является максимальным, но не любое максимальное будет наибольшим. Следующие три рисунка показывают наибольшие паросочетания в тех же трёх графах .

Некоторые авторы используют термин «максимальное паросочетание» для наибольшего паросочетания .

Совершенным паросочетанием (или 1-фактором ) называется паросочетание, в котором участвуют все вершины графа. То есть любая вершина графа инцидентна ровно одному ребру, входящему в паросочетание. Фигура (b) на рисунке выше является примером такого паросочетания. Любое совершенное паросочетание является наибольшим и максимальным. Совершенное паросочетание является также рёберным покрытием минимального размера. В общем случае , где число рёберного покрытия графа , иными словами, размер наибольшего паросочетания не превосходит размера наименьшего рёберного покрытия.

Почти совершенным паросочетанием называется паросочетание, в котором не участвует ровно одна вершина. Это может произойти, если граф имеет нечётное число вершин. На рисунке выше паросочетание в графе (c) является почти совершенным. Если для любой вершины в графе существует почти совершенное паросочетание, не содержащее именно эту вершину, граф называется факторно-критическим .

Пусть задано паросочетание M .

  • чередующийся путь — это путь, в котором рёбра поочерёдно принадлежат паросочетанию и не принадлежат ему.
  • пополняющий путь (или увеличивающий путь) — это чередующийся путь, начинающийся и кончающийся свободными вершинами (то есть не участвующими в паросочетании).

Лемма Бержа утверждает, что паросочетание является наибольшим в том и только в том случае, если не существует пополняющего пути.

Свойства

  • Число совершенных паросочетаний в двудольном графе равно перманенту его матрицы смежности .
  • В любом графе без изолированных вершин число паросочетания и число рёберного покрытия в сумме дают число вершин .
    • В частности, если существует совершенное паросочетание, то оба числа равны | V | / 2.
  • Если A и B — два максимальных паросочетания, то | A | ≤ 2| B | и | B | ≤ 2| A |. Чтобы это увидеть, заметьте, что каждое ребро из B \ A может быть сопряжено максимум двум рёбрам из A \ B поскольку A — паросочетание. Однако каждое ребро A \ B сопряжено с ребром B \ A ввиду того, что B — максимальное. Следовательно,
Далее мы имеем
  • В частности, отсюда вытекает, что любое максимальное паросочетание является 2-аппроксимацией наибольшего паросочетания, а также 2-аппроксимацией минимального максимального паросочетания. Это неравенство точное. Например, если G — путь с тремя рёбрами и 4 вершинами, минимальный размер максимального паросочетания равен 1, а размер наибольшего паросочетания равен 2.

Многочлен паросочетаний

Производящая функция числа k -рёберных паросочетаний в графе называется многочлен паросочетаний . Пусть G — граф и m k — число k -рёберных паросочетаний. Полиномом паросочетаний графа G будет

Есть другое определение полинома паросочетаний

,

где n — число вершин в графе. Оба определения имеют свои области применения.

Алгоритмы и вычислительная сложность

Наибольшее паросочетание в двудольном графе

Задачи нахождения паросочетания часто возникают при работе с двудольными графами . Поиск наибольшего паросочетания в двудольном графе является, пожалуй, простейшей задачей. Алгоритм пополняющего пути получает его, находя пополняющий путь из каждой вершины в и добавляя его в паросочетание, если путь будет найден. Альтернативный способ решения заключается в том, что паросочетание будет дополняться до тех пор, пока существуют расширяющие дополняющие пути:

  1. Установи .
  2. Пока имеются расширяющие пополняющие пути :
    1. , где - симметрическая разность множеств.

Пополняющий путь - это путь вида , для которого истинно при . Пополняющий путь называется расширяющим, если .

Лемма: Для любого графа , паросочетания и пополняющего пути справедливо паросочетание и . Доказательство: Пусть , и - начальная вершина , так что и , а также - последняя вершина , так что и , и - промежуточная вершина , так что . Из этого следует, что в граф будет добавлено на одно ребро больше, чем удалено из него.

Лемма: Для любого графа и паросочетаний , таких, что справедливо следующее: граф содержит минимум не пересекающихся в вершинах пополняющих путей относительно в . Доказательство: Пусть и , при этом действительно и и таким образом следует . Пусть при компоненты связности графа . Из следует

  • является изолированной вершиной или
  • является циклом четной длины или
  • является путем четной длины или
  • является путем нечетной длины

Вершины в происходят попеременно из и . Пусть

, а только если - пополняющий путь. и это означает, что должно существовать минимум компонент с и, как следствие, дополняющих путей. Согласно определению компонент связности, такие дополняющи пути не будут пересекаться в вершинах.

Найти дополняющий путь можно следующим образом:

  1. Даны двудольный граф и паросочетание .
  2. Создай , где
  3. Поиск дополняющего пути сводится к поиску в из свободной вершины в свободную вершину .

Поскольку пополняющий путь может быть найден за - время поиска в глубину, время работы алгоритма составит . Это решение эквивалентно добавлению суперисточника с рёбрами ко всем вершинам , и суперстока с рёбрами из всех вершин (трансформация графа займет , и поиску максимального потока из в . Все рёбра, по которым идёт поток из в , образуют максимальное паросочетание, а размер наибольшего паросочетания будет равен величине потока. Несколько быстрее работает алгоритм Хопкрофта — Карпа , работающий за время . Другой подход базируется на алгоритме быстрого умножения матриц и даёт сложность , что в теории лучше для достаточно плотных графов , но на практике алгоритм медленнее.

Во взвешенном двудольном графе

Во взвешенном двудольном графе каждому ребру приписывается вес. Паросочетание максимального веса в двудольном графе определяется как паросочетание, для которого сумма весов рёбер паросочетания имеет максимальное значение. Если граф не является полным двудольным , отсутствующие рёбра добавляются с нулевым весом. Задача поиска такого паросочетания известна как задача о назначениях . Замечательный венгерский алгоритм решает задачу о назначениях и был одним из первых алгоритмов комбинаторной оптимизации . Задача может быть решена с помощью модифицированного поиска кратчайшего пути в алгоритме пополняющего пути. Если используется алгоритм Беллмана — Форда , время работы будет , или цену ребра можно сдвинуть для достижения времени при применении алгоритма Дейкстры с Фибоначчиевой кучей .

Наибольшие паросочетания

Имеется алгоритм полиномиального времени для нахождения наибольшего паросочетания или паросочетания максимального веса в графе, не являющемся двудольным. Следуя его называют методом путей, деревьев и цветов или просто алгоритмом Эдмондса для паросочетаний . Алгоритм использует . Обобщение той же техники может быть использовано для поиска максимального независимого множества в графах без клешней . Алгоритм Эдмодса был впоследствии улучшен до времени работы , что соответствует алгоритмам для двудольных графов . Другой (рандомизированный) алгоритм, разработанный Муча и Санковсим (Mucha, Sankowski) , основанный на быстром произведении матриц , даёт сложность .

Максимальные паросочетания

Максимальное паросочетание можно найти простым жадным алгоритмом . C амым большим максимальным паросочетанием является наибольшее паросочетание, которое может быть найдено за полиномиальное время. Pеализация с использованием псевдокода:

  1. Дан граф .
  2. Установи .
  3. Пока множество не пустое:
    1. Выбери .
    2. Установи .
    3. Установи .
  4. Выведи .

Однако неизвестно никакого полиномиального по времени алгоритма для нахождения наименьшего максимального паросочетания , то есть максимального паросочетания, содержащего наименьшее возможное число рёбер.

Заметим, что наибольшее паросочетание из k рёбер является рёберным доминирующим множеством с k рёбрами. И обратно, если задано минимальное рёберное доминирующее множество с k рёбрами, мы можем построить наибольшее паросочетание с k рёбрами за полиномиальное время. Таким образом, задача нахождения минимального по размеру максимального паросочетания эквивалентна задаче нахождения минимального рёберного доминирующего множества . Обе эти задачи оптимизации известны как NP-трудные , а их распознавательные версии являются классическими примерами NP-полных задач . Обе задачи могут быть аппроксимированы с коэффициентом 2 с полиномиальным временем — просто находим произвольное максимальное паросочетание M .

Задачи перечисления

Число паросочетаний в графе известно как индекс Хосойи . Вычисление этого числа является #P-полной задачей. Задача остаётся #P-полной в специальном случае перечисления совершенных паросочетаний в двудольном графе , поскольку вычисление перманента случайной 0-1 матрицы (другая #P-полная задача) — это то же самое, что вычисление числа совершенных паросочетаний в двудольном графе, имеющем заданную матрицу в качестве матрицы смежности . Существует, однако, рандомизированная аппроксимационная схема полиномиального времени для вычисления числа паросочетаний в двудольном графе . Замечательная теорема , утверждающая, что число совершенных паросочетаний в планарном графе может быть вычислено в точности за полиномиальное время с помощью алгоритма FKT .

Число совершенных паросочетаний в полном графе K n (с чётным n ) задаётся двойным факториалом ( n − 1)!! . Число паросочетаний в полном графе без ограничения, чтобы паросочетание было совершенным, задаётся .

Нахождение всех рёбер, паросочетаемых рёбер

Одной из основных задач в теории паросочетаний является поиск всех рёбер, которые могут быть расширены до наибольшего паросочетания. Лучший детерминированный алгоритм решения этой задачи работает за время . Существует рандомизированный алгоритм, решающий задачу за время . В случае двудольного графа можно найти наибольшее паросочетание и использовать его для нахождения всех максимально паросочетаемых рёбер за линейное время ; что даст в результате для общих двудольных графов и для плотных двудольных графов с . В случае, если одно из наибольших паросочетаний известно заранее , общее время работы алгоритма будет .

Характеристики и замечания

Теорема Кёнига утверждает, что в двудольных графах размер наибольшего паросочетания равно размеру наименьшего вершинного покрытия . Из этого следует, что для двудольных графов задачи нахождения наименьшего вершинного покрытия , наибольшего независимого множества , и могут быть решены за полиномиальное время .

Теорема Холла (или теорема о свадьбах) обеспечивает характеризацию двудольных графов, имеющих совершенные паросочетания, а теорема Татта даёт характеризацию произвольных графов.

Совершенное паросочетание порождает остовный 1-регулярный подграф, то есть 1-фактор . В общем случае остовный k -регулярный подграф — это k -фактор .

Приложения

Структурная формула Кекуле ароматических соединений состоит из совершенных паросочетаний их углеродного скелета , показывая местоположение двойных связей в химической структуре . Эти структуры названы в честь Фридриха Августа Кекуле , который показал, что бензол (в терминах теории графов — это цикл из 6 вершин) может быть представлен в виде такой структуры .

Индекс Хосойи — это число непустых паросочетаний плюс единица. Он применяется в вычислительной и математической химии для исследования органических соединений.

См. также

Примечания

  1. Станислав Окулов. . — Litres, 2014-02-07. — С. 186. — 428 с. — ISBN 9785457534674 .
  2. Alan Gibbons, Algorithmic Graph Theory, Cambridge University Press, 1985, Chapter 5.
  3. Евстигнеев В.А.,Касьянов В.Н. Series-parallel poset // Словарь по графам в информатике / Под редакцией проф. Виктора Николаевича Касьянова. — Новосибирск: ООО «Сибирское Научное Издательство», 2009. — Т. 17. — (Конструирование и оптимизация программ). — ISBN 978-591124-036-3 .
  4. Фуад Алескеров, Элла Хабина, Дмитрий Шварц. . — Litres, 2016-01-28. — С. 22. — 343 с. — ISBN 9785457966925 .
  5. Рубчинский А. А. . — Directmedia, 2014-08-06. — С. 136. — 269 с. — ISBN 9785445838029 .
  6. Леонид Гладков, Владимир Курейчик, Виктор Курейчик. . — Litres, 2016-01-28. — С. 276. — 367 с. — ISBN 9785457965997 .
  7. Леонид Гладков, Владимир Курейчик, Виктор Курейчик, Павел Сороколетов. . — Litres, 2016-01-28. — С. 330. — 381 с. — ISBN 9785457967472 .
  8. Tibor Gallai. Über extreme Punkt- und Kantenmengen // Ann. Univ. Sci. Budapest. Eötvös Sect. Math.. — 1959. — Т. 2 . — С. 133–138 .
  9. Douglas Brent West. Introduction to Graph Theory. — 2nd. — Prentice Hall, 1999. — ISBN 0-13-014400-2 .
  10. M. Mucha, P. Sankowski. Maximum Matchings via Gaussian Elimination // . — 2004. — С. 248–255 .
  11. Bala G. Chandran, Dorit S. Hochbaum. . — 2011. — arXiv : . .
  12. M. Fredman, R. Tarjan. Fibonacci heaps and their uses in improved network optimization algorithms // Journal of the ACM . — 1987. — Т. 34 , вып. 3 . — С. 596–615 .
  13. Rainer Burkard, Mauro Dell’Amico, Silvano Martello. . — Philadelphia: SIAM, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2009. — С. —79, 98. глава 4.1.3 Historical notes, books, and surveys, глава 4.4.3 Efficient implementations
  14. Silvio Micali, Vijay Vazirani. An algorithm for finding maximum matching in general graphs // . — 1980. — С. 17–27 . — doi : .
  15. Yannakakis Mihalis, Gavril Fanica. Edge dominating sets in graphs // SIAM Journal on Applied Mathematics. — 1980. — Т. 38 , вып. 3 . — С. 364–372 . — doi : .
  16. Michael R. Garey, David S. Johnson. . — W.H. Freeman, 1979. — ISBN 0-7167-1045-5 . . Рёберное доминирующее множество обсуждается при рассмотрении задач нахождения доминирующих множеств, задачи GT2 в приложении A1.1. Минимальное по размеру максимальное паросочетание — это задача GT10 в приложении A1.1.
  17. Giorgio Ausiello, Pierluigi Crescenzi, Giorgio Gambosi, Viggo Kann, Alberto Marchetti-Spaccamela, Marco Protasi. Complexity and Approximation: Combinatorial Optimization Problems and Their Approximability Properties. — Springer, 2003. Минимальное доминирующее рёберное множество — это задача GT3 в приложении B (страница 370). Минимальное по размеру максимальное паросочетание — это задача GT10 в приложении B (страница 374). См. также от 5 сентября 2013 на Wayback Machine и от 6 марта 2014 на Wayback Machine в от 2 октября 2013 на Wayback Machine .
  18. Ivona Bezáková, Daniel Štefankovič, Vijay V. Vazirani, Eric Vigoda. Accelerating Simulated Annealing for the Permanent and Combinatorial Counting Problems // . — 2008. — Т. 37 , вып. 5 . — С. 1429–1454 . — doi : .
  19. David Callan. . — 2009. — arXiv : .
  20. Extremal problems for topological indices in combinatorial chemistry // . — 2005. — Т. 12 , вып. 7 . — С. 1004–1013 . — doi : .
  21. Marcelo H.de Carvalho, Joseph Cheriyan. An algorithm for ear decompositions of matching-covered graphs // Proc. ACM/SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA). — 2005. — С. 415–423 .
  22. Michael O. Rabin, Vijay V. Vazirani. Maximum matchings in general graphs through randomization // J. of Algorithms. — 1989. — Т. 10 . — С. 557–567 .
  23. Tamir Tassa. Finding all maximally-matchable edges in a bipartite graph // . — 2012. — Т. 423 . — С. 50–58 . — doi : .
  24. Aris Gionis, Arnon Mazza, Tamir Tassa. k -Anonymization revisited // . — 2008. — С. 744–753 .
  25. Смотрите, например, Nenad Trinajstić, Douglas J. Klein, Milan Randić. On some solved and unsolved problems of . — 1986. — Т. 30 , вып. S20 . — С. 699–742 . — doi : .

Литература для дальнейшего чтения

  1. László Lovász, Michael D. Plummer. Matching Theory. — North-Holland, 1986. — ISBN 0-444-87916-1 .
  2. Introduction to Algorithms. — second. — MIT Press and McGraw–Hill, 2001. — ISBN 0-262-53196-8 .
  1. S. J. Cyvin, Ivan Gutman. Kekule Structures in Benzenoid Hydrocarbons. — Springer-Verlag, 1988.
  2. Marek Karpinski, Wojciech Rytter. . — Oxford University Press, 1998. — ISBN 978-0-19-850162-6 .

Ссылки


Источник —

Same as Паросочетание