Jump to content

Сопоставление (теория графов)

В математической дисциплине теории графов совпадающее в или независимое множество ребер неориентированном графе представляет собой множество ребер без общих вершин . [1] Другими словами, подмножество ребер является паросочетанием, если каждая вершина встречается не более чем в одном ребре этого паросочетания. Поиск соответствия в двудольном графе можно рассматривать как задачу сетевого потока .

Определения

[ редактировать ]

Для данного графа G = ( V , E ) паросочетание ребер, ни одно из M в G представляет собой набор попарно несмежных которых не является петлей ; то есть никакие два ребра не имеют общих вершин.

Вершина считается сопоставленной (или насыщенной ), если она является конечной точкой одного из ребер сопоставления. В противном случае вершина несовпадающая (или ненасыщенная ).

Максимальное паросочетание — это паросочетание M графа G , которое не является подмножеством какого-либо другого паросочетания. Паросочетание M графа G является максимальным, если каждое ребро в G имеет непустое пересечение хотя бы с одним ребром из M . На следующем рисунке показаны примеры максимальных паросочетаний (красные) в трех графах.

Максимальное сопоставление (также известное как сопоставление максимальной мощности) [2] ) — паросочетание, содержащее максимально возможное количество ребер. Максимальных совпадений может быть много. Соответствующий номер графа G — размер максимального паросочетания. Каждое максимальное паросочетание является максимальным, но не каждое максимальное паросочетание является максимальным паросочетанием. На следующем рисунке показаны примеры максимальных совпадений на тех же трех графах.

Идеальное паросочетание — это паросочетание, которому соответствуют все вершины графа. То есть паросочетание является совершенным, если каждая вершина графа инцидентна ребру паросочетания. Соответствие является идеальным, если . Каждое совершенное паросочетание является максимальным и, следовательно, максимальным. термин полное совпадение В некоторой литературе используется . На приведенном выше рисунке только часть (b) показывает идеальное совпадение. Идеально сочетается также боковая крышка минимального размера . Таким образом, размер максимального паросочетания не больше размера минимального реберного покрытия: . Граф может содержать идеальное паросочетание только в том случае, если в графе четное число вершин.

Почти идеальное совпадение — это совпадение, при котором ровно одна вершина не совпадает. Очевидно, что граф может содержать почти идеальное паросочетание только в том случае, если граф имеет нечетное число вершин, а почти идеальные паросочетания являются максимальными паросочетаниями. На рисунке выше часть (c) показывает почти идеальное совпадение. Если каждой вершине не соответствует какое-то почти идеальное сопоставление, то граф называется факторно-критическим .

Учитывая совпадение M , альтернативный путь — это путь, который начинается с несовпадающей вершины. [3] и чьи ребра принадлежат поочередно паросочетанию, а не паросочетанию. Дополняющий путь — это альтернативный путь, который начинается и заканчивается в свободных (несовпадающих) вершинах. Лемма Бержа утверждает, что паросочетание M является максимальным тогда и только тогда, когда не существует расширяющего пути относительно M .

Индуцированное паросочетание — это паросочетание, которое является множеством ребер индуцированного подграфа . [4]

Характеристики

[ редактировать ]

В любом графе без изолированных вершин сумма числа совпадений и числа покрытия ребер равна количеству вершин. [5] Если существует идеальное совпадение, то и номер совпадения, и номер покрытия края равны | В | / 2 .

Если A и B — два максимальных паросочетания, то | А | ≤ 2| Б | и | Б | ≤ 2| А | . Чтобы убедиться в этом, заметим, что каждое ребро в B \ A может быть смежным не более чем с двумя рёбрами в A \ B, поскольку A — паросочетание; при этом каждое ребро в A \ B смежно с ребром в B \ A по максимальности B , следовательно

Далее мы делаем вывод, что

В частности, это показывает, что любое максимальное паросочетание является 2-приближением максимального паросочетания, а также 2-приближением минимального максимального паросочетания. Это неравенство строгое: например, если G — путь с 3 ребрами и 4 вершинами, размер минимального максимального паросочетания равен 1, а размер максимального паросочетания равен 2.

Спектральная характеристика числа согласования графа дана Хасани Монфаредом и Малликом следующим образом: Пусть быть графиком на вершины и быть отдельные ненулевые чисто мнимые числа , где . Тогда соответствующее число является тогда и только тогда, когда (а) существует действительная кососимметричная матрица с графиком и собственные значения и нули и (б) все действительные кососимметричные матрицы с графиком иметь максимум ненулевые собственные значения . [6] Обратите внимание, что (простой) график вещественной симметричной или кососимметричной матрицы порядка имеет вершины и ребра, заданные ненулевыми недиагональными элементами .

Соответствующие полиномы

[ редактировать ]

Производящая функция количества паросочетаний k -ребер в графе называется согласующим полиномом. Пусть G — граф, а m k — количество паросочетаний k -ребер. Один совпадающий полином G — это

Другое определение дает соответствующий полином как

где n — количество вершин в графе. Каждый тип имеет свое применение; дополнительную информацию см. в статье о сопоставлении полиномов.

Алгоритмы и вычислительная сложность

[ редактировать ]

Сопоставление максимальной мощности

[ редактировать ]

Фундаментальной проблемой комбинаторной оптимизации является поиск максимального паросочетания . Эта задача имеет разные алгоритмы для разных классов графов.

В невзвешенном двудольном графе задача оптимизации состоит в нахождении соответствия максимальной мощности . Задача решается алгоритмом Хопкрофта-Карпа за время O ( √VE , как описано в ) и времени, и существуют более эффективные рандомизированные алгоритмы , алгоритмы аппроксимации алгоритмы для специальных классов графов, таких как двудольные плоские графы основной статье. .

Соответствие максимального веса

[ редактировать ]

Во взвешенном двудольном графе задача оптимизации состоит в том, чтобы найти паросочетание с максимальным весом; двойная задача состоит в том, чтобы найти паросочетание с минимальным весом. Эту проблему часто называют максимальным взвешенным двусторонним сопоставлением или проблемой назначения . Венгерский алгоритм решает задачу назначения и положил начало алгоритмам комбинаторной оптимизации. Он использует модифицированный поиск кратчайшего пути в алгоритме увеличения пути. Если на этом этапе используется алгоритм Беллмана-Форда , время работы венгерского алгоритма становится или стоимость края может быть смещена с возможностью достижения время работы с алгоритмом Дейкстры и кучей Фибоначчи . [7]

В недвудольном взвешенном графе задача сопоставления максимального веса может быть решена за время используя алгоритм цветения Эдмондса .

Максимальные соответствия

[ редактировать ]

Максимальное соответствие можно найти с помощью простого жадного алгоритма . Максимальное паросочетание также является максимальным паросочетанием, и, следовательно, можно найти наибольшее максимальное паросочетание за полиномиальное время. Однако не известен ни один алгоритм с полиномиальным временем для поиска минимального максимального паросочетания , то есть максимального паросочетания, содержащего наименьшее возможное количество ребер.

Максимальное паросочетание с k ребрами — это множество с доминирующими ребрами, состоящее из k ребер. И наоборот, если нам задан минимальный набор доминирующих ребер с k ребрами, мы можем построить максимальное паросочетание с k ребрами за полиномиальное время. Следовательно, задача нахождения минимального максимального паросочетания по существу равна проблеме нахождения минимального доминирующего множества ребра. [8] Обе эти две задачи оптимизации известны как NP-трудные ; варианты решения этих задач являются классическими примерами NP-полных задач. [9] Обе задачи можно аппроксимировать с коэффициентом 2 за полиномиальное время: просто найдите произвольное максимальное паросочетание M . [10]

Проблемы со счетом

[ редактировать ]

Количество паросочетаний в графе известно как индекс Хосоя графа. Вычислить эту величину #P-полно , даже для двудольных графов. [11] Подсчет идеальных паросочетаний также является #P-полным , даже в двудольных графах , поскольку вычисление перманента произвольной матрицы 0–1 (еще одна #P-полная задача) — это то же самое, что вычисление количества идеальных паросочетаний в двудольном графе. имея данную матрицу в качестве матрицы двусмежности . Однако существует полностью полиномиальная рандомизированная по времени аппроксимационная схема для подсчета количества двудольных паросочетаний. [12] Замечательная теорема Кастелейна утверждает, что количество идеальных паросочетаний в плоском графе можно вычислить точно за полиномиальное время с помощью алгоритма FKT .

Количество идеальных паросочетаний в полном графе K n четным n ) определяется двойным факториалом ( n − 1)!!. [13] Число паросочетаний в полных графах, без ограничения на идеальность паросочетаний, задается телефонными номерами . [14]

Число идеальных паросочетаний в графе также известно как гафниан его матрицы смежности .

Нахождение всех максимально совпадающих ребер

[ редактировать ]

Одна из основных задач теории паросочетания — найти в заданном графе все ребра, которые можно расширить до максимального паросочетания в графе (такие ребра называются максимально сопоставляемыми ребрами или разрешенными ребрами). Алгоритмы решения этой задачи включают в себя:

  • Для общих графов детерминированный алгоритм по времени и рандомизированный алгоритм по времени . [15] [16]
  • Для двудольных графов, если найдено одно максимальное совпадение, детерминированный алгоритм выполняется во времени. . [17]

Двустороннее сопоставление онлайн

[ редактировать ]

Проблема разработки онлайн-алгоритма сопоставления была впервые рассмотрена Ричардом М. Карпом , Умешем Вазирани и Виджаем Вазирани в 1990 году. [18]

В онлайн-режиме узлы на одной стороне двудольного графа поступают по одному и должны быть либо немедленно сопоставлены с другой стороной графа, либо отброшены. Это естественное обобщение задачи о секретаре , которое можно применить к онлайн-аукционам рекламы. Лучший онлайн-алгоритм для случая невзвешенной максимизации с моделью случайного поступления достигает конкурентоспособности коэффициента 0,696 . [19]

Характеристики

[ редактировать ]

Теорема Кенига утверждает, что в двудольных графах максимальное паросочетание равно размеру минимального вершинного покрытия . Благодаря этому результату задачи минимального вершинного покрытия, максимального независимого множества и максимальной биклики вершин могут быть решены за полиномиальное время для двудольных графов.

Теорема Холла о браке дает характеристику двудольных графов, имеющих идеальное паросочетание, а теорема Тутта дает характеристику произвольных графов.

Приложения

[ редактировать ]

Соответствие в общих графиках

[ редактировать ]

Сопоставление в двудольных графах

[ редактировать ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ "is_matching" . Документация NetworkX 2.8.2 . Проверено 31 мая 2022 г. Каждый узел инцидентен не более чем одному ребру сопоставления. Говорят, что ребра независимы.
  2. ^ Алан Гиббонс, Алгоритмическая теория графов, издательство Кембриджского университета, 1985, Глава 5.
  3. ^ «Предварительный просмотр» .
  4. ^ Кэмерон, Кэти (1989), «Индуцированные сопоставления», специальный выпуск Первой Монреальской конференции по комбинаторике и информатике, 1987, Дискретная прикладная математика , 24 (1–3): 97–102, doi : 10.1016/0166-218X(92) )90275-Ф , МР   1011265
  5. ^ Галлай, Тибор (1959), «О наборах крайних точек и ребер», Ann. Университет наук. Будапешт. Секта Этвёша. Математика , 2 : 133–138 .
  6. ^ Кейван Хассани Монфаред и Судипта Маллик, Теорема 3.6, Спектральная характеристика паросочетаний в графах, Линейная алгебра и ее приложения 496 (2016) 407–419, https://doi.org/10.1016/j.laa.2016.02.004 , https ://arxiv.org/abs/1602.03590
  7. ^ Фредман, Майкл Л.; Тарьян, Роберт Эндре (1987), «Кучи Фибоначчи и их использование в улучшенных алгоритмах сетевой оптимизации», Journal of the ACM , 34 (3): 596–615, doi : 10.1145/28869.28874 , S2CID   7904683
  8. ^ Яннакакис, Михалис; Гаврил, Фаника (1980), «Множества с доминирующими краями в графах» (PDF) , SIAM Journal on Applied Mathematics , 38 (3): 364–372, doi : 10.1137/0138030 .
  9. ^ Гэри, Майкл Р .; Джонсон, Дэвид С. (1979), Компьютеры и трудноразрешимые проблемы: Руководство по теории NP-полноты , WH Freeman, ISBN  0-7167-1045-5 . Множество с доминирующим ребром (версия решения) обсуждается в рамках проблемы доминирующего множества, которая представляет собой проблему GT2 в Приложении A1.1. Минимально-максимальное сопоставление (вариант решения) — это задача GT10 в Приложении A1.1.
  10. ^ Аузиелло, Джорджо; Крещенци, Пьерлуиджи; Гамбози, Джорджио; Канн, Вигго; Маркетти-Спаккамела, Альберто; Протаси, Марко (2003), Сложность и аппроксимация: задачи комбинаторной оптимизации и их свойства аппроксимации , Springer . Минимальный набор доминирующих ребер (версия оптимизации) — это задача GT3 в Приложении B (стр. 370). Минимальное максимальное соответствие (версия оптимизации) — это задача GT10 в Приложении B (стр. 374). См. также «Минимальный набор доминирующих ребер» и «Минимальное максимальное соответствие» в веб-справочнике .
  11. ^ Лесли Валиант , Сложность проблем перечисления и надежности , SIAM J. Comput., 8 (3), 410–421
  12. ^ Безакова, Ивона; Штефанкович, Даниэль; Вазирани, Виджай В .; Вигода, Эрик (2008). «Ускорение моделирования отжига для решения постоянных и комбинаторных задач счета». SIAM Journal по вычислительной технике . 37 (5): 1429–1454. CiteSeerX   10.1.1.80.687 . дои : 10.1137/050644033 . S2CID   755231 .
  13. ^ Каллан, Дэвид (2009), Комбинаторный обзор тождеств для двойного факториала , arXiv : 0906.1317 , Bibcode : 2009arXiv0906.1317C .
  14. ^ Тичи, Роберт Ф.; Вагнер, Стефан (2005), «Экстремальные задачи для топологических индексов в комбинаторной химии» (PDF) , Journal of Computational Biology , 12 (7): 1004–1013, doi : 10.1089/cmb.2005.12.1004 , PMID   16201918 .
  15. ^ Рабин, Майкл О.; Вазирани, Виджай В. (1989), «Максимальные совпадения в общих графах посредством рандомизации», Journal of Algorithms , 10 (4): 557–567, CiteSeerX   10.1.1.228.1996 , doi : 10.1016/0196-6774(89)90005 -9
  16. ^ Чериян, Джозеф (1997), «Рандомизированный алгоритмы для задач теории сопоставления», SIAM Journal on Computing , 26 (6): 1635–1655, doi : 10.1137/S0097539793256223
  17. ^ Тасса, Тамир (2012), «Нахождение всех максимально совпадающих ребер в двудольном графе», Theoretical Computer Science , 423 : 50–58, doi : 10.1016/j.tcs.2011.12.071
  18. ^ Карп, Ричард М .; Вазирани, Умеш В. ; Вазирани, Виджай В. (1990). «Оптимальный алгоритм двустороннего сопоставления в режиме онлайн» (PDF) . Материалы 22-го ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений (STOC, 1990) . стр. 352–358. дои : 10.1145/100216.100262 . ISBN  0-89791-361-2 .
  19. ^ Махдиан, Мохаммед; Ян, Цици (2011). «Двустороннее онлайн-сопоставление со случайными поступлениями: подход, основанный на сильно выявляющих факторах ЛП». Труды сорок третьего ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений . стр. 597–606. дои : 10.1145/1993636.1993716 .
  20. ^ См., например, Тринайстич, Ненад ; Кляйн, Дуглас Дж.; Рандич, Милан (1986), «О некоторых решенных и нерешенных проблемах химической теории графов», International Journal of Quantum Chemistry , 30 (S20): 699–742, doi : 10.1002/qua.560300762 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  1. Ловас, Ласло ; Пламмер, доктор медицинских наук (1986), Теория соответствия , Анналы дискретной математики, том. 29, Северная Голландия, ISBN  0-444-87916-1 МР  0859549
  2. Томас Х. Кормен , Чарльз Э. Лейзерсон , Рональд Л. Ривест и Клиффорд Стейн (2001), Введение в алгоритмы (второе изд.), MIT Press и McGraw – Hill, глава 26, стр. 643–700, ISBN  0-262-53196-8 {{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. Андраш Франк (2004). О венгерском методе Куна – дань уважения Венгрии (PDF) (Технический отчет). Исследовательская группа Эгервари.
  4. Майкл Л. Фредман и Роберт Э. Тарьян (1987), «Кучи Фибоначчи и их использование в улучшенных алгоритмах сетевой оптимизации», Journal of the ACM , 34 (3): 595–615, doi : 10.1145/28869.28874 , S2CID   7904683 .
  5. С. Дж. Сайвин и Иван Гутман (1988), Структуры Кекуле в бензоидных углеводородах , Springer-Verlag
  6. Марек Карпински и Войцех Риттер (1998), Быстрые параллельные алгоритмы для задач сопоставления графов , Oxford University Press, ISBN  978-0-19-850162-6
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c6d7260e802026afaabc7f9923140be1__1721278020
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c6/e1/c6d7260e802026afaabc7f9923140be1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Matching (graph theory) - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)