《集合论与图论》第26讲1
第25讲支配,覆盖,独立,匹配
?支配集,独立集,点覆盖,团
?边覆盖, 边独立集(匹配)
?最大匹配, Berge定理
?完备匹配, Hall条件, t条件
?完美匹配, Tutte定理
《集合论与图论》第26讲2
支配集(dominating set)
?无向图G=<V,E>, V*?V
?支配集: ?u(u∈V-V*→?v(v∈V*∧(u,v)∈E))
或?u∈V-V*, ?v∈V*, uEv
?极小支配集: V*是支配集, 其真子集都不
是
?最小支配集: |V*|最小的支配集
?支配数: γ
0
(G)=|V*|, V*是最小支配集
《集合论与图论》第26讲3
支配集(例)
?星形图S
n
: {v
0
},{v
1
,v
2
,…,v
n-1
}, γ
0
(S
n
)=1
?轮图W
n
: {v
0
},{v
1
,v
3
,v
5
…,v
n-2
}, γ
0
(W
n
)=1
v
0
v
1
v
2
v
3
v
5
v
4
《集合论与图论》第26讲4
定理13.1
?定理13.1: 无向图G无孤立点,V
1
*是极小
支配集,则存在V
2
*也是极小支配集,且
V
1
*∩V
2
*=?.
?证明: V
1
*是极小支配集,则V-V
1
*也是支配
集.(反证: 否则, ?u∈V
1
*, ?v∈V-V
1
*,
(u,v)?E, V
1
*-{u}还是支配集,矛盾.)
V-V
1
*是支配集,则V-V
1
*中有子集是极小
支配集,设为V
2
*. 则V
1
*∩V
2
*=?. #
《集合论与图论》第26讲5
独立集(independent set)
?无向图G=<V,E>, V*?V
?独立集: ?u,v∈V*, (u,v)?E
?极大独立集: V*是独立集, 其真母集都不
是
?最大独立集: |V*|最大的独立集
?独立数: β
0
(G)=|V*|, V*是最大独立集
《集合论与图论》第26讲6
独立集(例)
?{v
0
}, {v
1
,v
4
}, {v
1
,v
3
,v
5
}, β
0
=3
v
0
v
1
v
2
《集合论与图论》第26讲7
定理13.2
?定理13.2: 无向图G无孤立点,V*是极大独
立集,则V*也是极小支配集.
?证明: V*是极大独立集,则V*也是支配
集.(反证: 否则, ?u∈V-V*, ?v∈V*,
(u,v)?E, V*∪{u}还是独立集,矛盾.)
V*是极小支配集(反证: 否则, ?u∈V*, V*-
{u}是支配集,则?v∈V*, (u,v)∈E,与V*是
独立集相矛盾.) #
《集合论与图论》第26讲8
定理13.2(讨论)
?定理13.2: (无孤立点图)极大独立集是极
小支配集
?逆命题不成立
?反例: {v
2
,v
3
}是极小支配集,但不是独立集,
更不是极大独立集
v
1
v
2
v
3
v
4
《集合论与图论》第26讲9
点覆盖(vertex cover)
?无向图G=<V,E>, V*?V
?点覆盖: ?e(e∈E→?v(v∈V*∧v关联e))
或?e∈E, ?v∈V*, v关联e
?极小点覆盖: V*是点覆盖, 其真子集都不
是
?最小点覆盖: |V*|最小的点覆盖
?点覆盖数: α
0
(G)=|V*|, V*是最小点覆盖
《集合论与图论》第26讲10
点覆盖(例)
?{v
0
,v
1
,v
3
,v
5
}, {v
1
,v
2
,v
3
,v
4
,v
5
,v
6
}, α
0
=4
v
0
v
1
v
2
v
3
v
5
《集合论与图论》第26讲11
讨论
?(连通图)点覆盖是支配集
?极小点覆盖不一定是极小支配集.反例:
{v
0
,v
1
, v
3
,v
5
}是极小点覆盖, {v
1
,v
3
,v
5
}是极
小支配集
?支配集不一定是点覆盖. 反例: {v
1
,v
4
}是支
配集,不是点覆盖
v
0
v
1
v
2
v
3
v
5
《集合论与图论》第26讲12
定理13.3
?定理13.3: 无向图G无孤立点, V*?V,
V*是点覆盖? V-V*是独立集.
?证明: (?) (反证) 否则, ?u,v∈V-V*,
(u,v)∈E, V*不是点覆盖,矛盾.
(?)V-V*是独立集, ?(u,v)∈E, u?V-V*∨
v?V-V*, u∈V* ∨ v∈V*, V*是点覆盖. #
?推论: 无向图G无孤立点, V*是极(最)小点
覆盖?V-V*是极(最)大独立集.α
0
+β
0
=n.#
《集合论与图论》第26讲13
团(clique)
?无向图G=<V,E>, V*?V
?团: G[V*]是完全子图
?极大团: V*是团, 其真母集都不是
?最大团: |V*|最大的团
?团数: ν
0
(G)=|V*|, V*是最大团
《集合论与图论》第26讲14
团(例)
?{v
0
,v
1
,v
2
}, {v
1
,v
2
}, {v
1
}, ν
0
=3
v
0
v
1
v
2
《集合论与图论》第26讲15
定理13.4
?定理13.4: 无向图G,
V*是G的团? V*是G的独立集. #
?推论: 无向图G, V*是G的极(最)大团?V*
是G的极(最)大独立集. ν
0
(G)=β
0
(G). #
?总结: α
0
+β
0
=n(无孤立点). ν
0
(G)=β
0
(G).
所以α
0
, β
0
, ν
0
三者互相确定, 但都是难解
的(目前都没有多项式时间算法)
《集合论与图论》第26讲16
例13.1
?例13.1: 求全体极小支配集,极小点覆盖,
极大独立集
?解: (1)极小支配集.
Π
v∈V
(v+Σ
u∈Γ(v)
u)
=(a+b)(b+a+c+d)(c+b+d)(d+c+b)
=ac+ad+b. (幂等: a+a=a,a?a=a, 逻辑加乘)
{a,c}, {a,d}, {b}是全体极小支配集. γ
0
=1.
a
b
c
d
《集合论与图论》第26讲17
例13.1(续)
?例13.1: 求全体极小支配集,极小点覆盖,
极大独立集
?解: (2)极小点覆盖.
Π
(u,v)∈E
(u+v)
=(a+b)(b+c)(b+d)(c+d)
=bc+bd+acd. (幂等: a+a=a,a?a=a, 逻辑加
乘) {b,c}, {b,d}, {a,c,d}是全体极小点覆
盖. α
0
=2.
a
b
c
d
《集合论与图论》第26讲18
例13.1(续)
?例13.1: 求全体极小支配集,极小点覆盖,
极大独立集
?解: (3)极大独立集.
G无孤立点, V*是极小点覆盖?
V-V*是极大独立集.
{b,c},{b,d},{a,c,d}是全体极小点覆盖,
{a,d},{a,c},{b}是全体极大独立集. β
0
=2. #
a
b
c
d
《集合论与图论》第26讲19
边覆盖(edge cover)
?无向图G=<V,E>, E*?E
?边覆盖: ?v∈E, ?e∈E*, e关联v
?极小边覆盖: E*是边覆盖, 其真子集都不
是
?最小边覆盖: |E*|最小的边覆盖
?边覆盖数: α
1
(G)=|E*|, E*是最小点覆盖
《集合论与图论》第26讲20
边覆盖(例)
?{e
2
,e
3
,e
6
}, {e
2
,e
3
,e
7
}, α
1
=3
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
《集合论与图论》第26讲21
匹配(matching)
?无向图G=<V,E>, E*?E
?匹配(边独立集): ?e,f∈E*, e,f不相邻
?极大匹配: E*是匹配, 其真母集都不是
?最大匹配: |E*|最大的匹配
?匹配数: β
1
(G)=|E*|, E*是最大匹配
《集合论与图论》第26讲22
匹配(例)
?{e
1
,e
7
}, {e
1
,e
4
}, {e
5
},
?β
1
=2
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
《集合论与图论》第26讲23
饱和点,交错路径,增广路径
?设M是G中匹配
?饱和点: v与M中边关联
?非饱和点: v不与M中边关联
?交错路径: 在M和E-M中交替取边的路径
?可增广交错路径: 两端都是非饱和点的交
错路径
《集合论与图论》第26讲24
举例
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
《集合论与图论》第26讲25
定理13.5
?定理13.5: 无向图G无孤立点,
(1) 设M是最大匹配, ?非饱和点v, 取v关联
的一边, 组成边集N, 则W=M∪N是最小边
覆盖
(2) 设W
1
是最小边覆盖, 若W
1
中有相邻边,
就删除其中一边, 直到无相邻边为止,设
删除的边组成边集N
1
, 则M
1
=W
1
-N
1
是最
大匹配
(3) α
1
+β
1
=n
《集合论与图论》第26讲26
定理13.5(证明)
?证明: M是最大匹配, |M|=β
1
, |N|=n-2β
1
,
α
1
≤|W|=|M|+|N|=n-β
1
.(*) W
1
是最小边覆
盖, |W
1
|=α
1
, 删除1边恰产生1个非饱和点,
|N
1
|=|W
1
|-|M
1
|=“删除边数”=“M
1
的非饱和
点数”=n-2|M
1
|, α
1
=|W
1
|=n-|M
1
|≥n-β
1
.(**)
由(*)(**), n≤α
1
+β
1
≤n, 所以α
1
+β
1
=n.
由(*), |W|=α
1
, W是最小边覆盖.
由(**), |M
1
|=β
1
, M
1
是最大匹配. #
《集合论与图论》第26讲27
定理13.6
?定理13.6: 无向图G无孤立点, M是匹配,
N是点覆盖, Y是独立集, W是边覆盖, 则
(1) |M|≤|N|, (2) |Y|≤|W|, (3) 等号成立时,
M是最大匹配, N是最小点覆盖, Y是最大
独立集, W是最小边覆盖
?证明: (1) M中边不相邻, 至少需要|M|个点
才能覆盖M. (2) Y中顶点不相邻, 至少需
要|Y|条边才能覆盖Y. |M|=|N|说明|M|达
到最大值, |N|达到最小值. |Y|=|W|类似. #
《集合论与图论》第26讲28
推论
?推论: 无向图G无孤立点, 则
β
1
≤α
0
, β
0
≤α
1
. #
?K
r,s
: β
1
=α
0
=min{r,s}, β
0
=α
1
=max{r,s},
?总结: 无向图G无孤立点, 则
β
1
≤α
0
(≤γ
0
,?) ν
0
=β
0
≤α
1
.
α
0
+β
0
=n, α
1
+β
1
=n,
《集合论与图论》第26讲29
完美匹配, 完备匹配
?完美匹配(perfect matching): 没有非饱和
点的匹配
?完备匹配(complete matching) :
G=<V
1
,V
2
,E>是二部图, |V
1
|≤|V
2
|,
|M|=|V
1
|
?求最小边覆盖, 最大匹配, 完美匹配, 都是
易解的(有多项式时间算法)
《集合论与图论》第26讲30
完美匹配(例)
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
《集合论与图论》第26讲31
最大匹配
?定理13.7: 设M
1
,M
2
是G中2个不同匹配,则
G[M
1
⊕M
2
]的每个连通分支是M
1
,M
2
中的
边组成的交错圈或交错路径
?证明: 设G
1
是G[M
1
⊕M
2
]的1个连通分支,
?v∈V(G
1
), 0<d
G1
(v)=d
G[M1⊕M2]
(v)≤2, 即
d
G1
(v)=1或2. 所以G
1
是交错圈或交错路
径. #
《集合论与图论》第26讲32
最大匹配
?定理13.8: 设M是G中匹配, Γ是M的可增
广路径, 则M’=M⊕E(Γ)也是G中匹配, 且
|M’|=|M|+1
?证明: 显然M是匹配.
|M’|=|M⊕E(Γ)|=|M-E(Γ)|+|E(Γ)-M|=|M|+1.
#
《集合论与图论》第26讲33
最大匹配
?定理13.9(Berge,1957):
M是G中最大匹配?G中无M可增广路径
?证明: (?)(反证)定理13.8.
(?)设M
1
是G的最大匹配, H=G[M
1
⊕M].
若H≠?, H的连通分支是交错圈或交错路
径. M和M
1
都无可增广路径, 所以|M|=|M
1
|.
#
《集合论与图论》第26讲34
二部图的匹配
?完备匹配
?充要条件: Hall条件(相异性条件)
?充分条件: t条件
?k正则二部图: 有k个边不重完美匹配
?无孤立点二部图: α
0
=β
1
《集合论与图论》第26讲35
完备匹配(complete matching)
?G=<V
1
,V
2
,E>是二部图, |V
1
|≤|V
2
|
?完备匹配: |M|=|V
1
|
?Hall条件: ?S?V
1
, |S|≤|N(S)|, 其中N(S) =
{ u | ?v∈S,(v,u)∈E } = U
v∈S
Γ(v)
?t(≥1)条件: ?v∈V
1
, d(v)≥t; ?v∈V
2
, d(v)≤t
?t条件? ?完备匹配? Hall条件
《集合论与图论》第26讲36
Hall定理
?定理13.11(Hall,1935): 二部图G有完备匹
配? G满足Hall条件(|S|≤|N(S)|)
?证明:(?)显然. (?)(反证)设G=<V
1
,V
2
,E>
是满足条件的极小子图, 则存在a
1
,a
2
∈V
1
,
x∈V
2
, (a
1
,x),(a
2
,x)∈E. 删除(a
i
,x)将破坏
条件, 则存在A
1
,A
2
?V
1
, a
i
∈A
i
, 在A
i
中只有
a
i
与x相邻, |Γ(A
i
)|=|A
i
|.
《集合论与图论》第26讲37
Hall定理
?证明:(?)(续) |Γ(A
1
)∩Γ(A
2
)|
≥ |Γ(A
1
-{a
1
})∩Γ(A
2
-{a
2
})|+1
≥ |Γ(A
1
∩A
2
)|+1≥|A
1
∩A
2
|+1.
|Γ(A
1
∪A
2
)|=|Γ(A
1
)∪Γ(A
2
)|
= |Γ(A
1
)|+|Γ(A
2
)|-|Γ(A
1
)∩Γ(A
2
)|
≤ |A
1
|+|A
2
|-(|A
1
∩A
2
|+1)=|A
1
∪A
2
|-1, 矛盾!
#
《集合论与图论》第26讲38
t条件
?定理13.12: 设G=<V
1
,V
2
,E>是二部图,若
V
1
中每个顶点至少关联t(t≥1)条边,而V
2
中
每个顶点至多关联t条边,则G中存在完备
匹配
?证明: V
1
中任意k个顶点至少关联kt条边,
这kt条边至少关联V
2
中k个顶点,即相异性
条件成立. #
《集合论与图论》第26讲39
例
?(1) 满足t(=3)条件
?(2) 满足Hall条件
?(3) 无完备匹配
(1) (2) (3)
《集合论与图论》第26讲40
k正则二部图
?定理13.13: 设G=<V
1
,V
2
,E>是k正则二部
图,则G中存在k个边不重的完美匹配
?证明: G满足t=k的t条件, 所以有完备匹配
M
1
,又|V
1
|=|V
2
|, 所以完备匹配就是完美匹
配. G-M
1
是k-1正则二部图,又有完美匹配
M
2
, G-M
1
-M
2
是k-2正则二部图, …, 一共
可得k个完美匹配, 显然这些匹配是边不
重的. #
《集合论与图论》第26讲41
无孤立点二部图
?定理13.14:设G=<V
1
,V
2
,E>是无孤立点二
部图,则α
0
=β
1
?证明:设M是最大匹配. X是V
1
非饱和点集.
S={u∈V
1
|?v∈X,从v到u有交错路径}.
T={u∈V
2
|?v∈X,有v到u交错路径}?V
2
-X.
令N=(V
1
-S)∪T是点覆盖,|N|=|M|, 由定理
13.6知N是最小覆盖. #
《集合论与图论》第26讲42
完美匹配
?完美匹配: 没有非饱和点的匹配
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
e
1
e
2
e
3
e
4
e
6
e
7
e
5
e
8
《集合论与图论》第26讲43
完美匹配
?定理13.10(Tutte,1947): G有完美匹配
??V’?V(G), p
奇
(G-V’)≤|V’|.
?说明: p
奇
是奇数阶连通分支数
?证明: (?)设M是G的完美匹配, G
1
是G-V’
的奇阶连通分支, 则?u
1
∈V(G
1
), ?v
1
∈V’,
(u
1
,v
1
)∈M, 所以p
奇
(G-V’)≤|V’|.
《集合论与图论》第26讲44
完美匹配
?证明: (?) (对G阶数归纳) 取V’=?,得G是偶阶.
取V’={u},得G-{u}恰有1个奇阶连通分支.
设S
0
?V是使得p
奇
(G-S
0
)=|S
0
|=s的最大集合,
C
1
,C
2
,…, C
s
是G-S
0
所有奇阶连通分支,
D
1
,D
2
,…, D
t
是G-S
0
所有偶阶连通分支.
《集合论与图论》第26讲45
完美匹配
?证明: (?) (1) 每个D
i
内部有完美匹配.
?S?V(D
i
), p
奇
(G-S
0
)+p
奇
(D
i
-S)
=p
奇
(G-(S
0
∪S))≤|S
0
∪S|=|S
0
|+|S|, 所以
p
奇
(D
i
-S)≤|S|, 由归纳假设, D
i
内部有完美
匹配.
《集合论与图论》第26讲46
完美匹配
?证明: (?) (2) 每个C
i
-{c}内部有完美匹配, 其中
c∈C
i
. (反证) 假设?S?V(C
i
-{c}), p
奇
(C
i
-{c}-S))
>|S|, 因两端同奇偶, 故p
奇
(C
i
-{c}-S))≥|S|+2.
|S
0
∪{c}∪S|=|S
0
|+1+|S|≥p
奇
(G-(S
0
∪{c}∪S))
=p
奇
(G-S
0
)-1+p
奇
(C
i
-{c}-S))≥|S
0
|+1+|S|, 与S
0
的
最大性矛盾.
《集合论与图论》第26讲47
完美匹配
?证明: (?) (3) H=G[{C
1
,C
2
,…, C
s
},S
0
]有
完美匹配. ?A?{C
1
,C
2
,…,C
s
},令B=Γ
H
(A),
则|A|≤p
奇
(G-B)≤|B|, 即满足Hall条件, 所
以H有完美匹配.
于是G的完美匹配由(3)(2)(1)三部分构成.
#
《集合论与图论》第26讲48
推论
?推论: 无桥3正则图有完美匹配
?证明: 设G-V
1
的奇阶连通分支是G
i
,
i=1,2,…,r, |V(G
i
)|=n
i
, |[V(G
i
),V
1
]|=m
i
.
Σ
v∈V(Gi)
d
G
(v)=3n
i
=2|E(G
i
)|+m
i
, m
i
是奇数.
无桥, m
i
≥3. p
奇
(G-V
1
)=r≤(Σ
r
i=1
m
i
)/3
≤(Σ
v∈V1
d
G
(v))/3=|V
1
|, 再用定理13.10. #
《集合论与图论》第26讲49
推论(说明)
?说明:无桥条件不能去掉.
?反例: p
奇
(G-{v})=3>|{v}|=1.G无完美匹配.
v
《集合论与图论》第26讲50
总结
?支配集,独立集,点覆盖,团(难解问题)
?边覆盖, 边独立集(匹配) (易解问题)
?α
0
, β
0
, γ
0
, ν
0
, α
1
, β
1
?最大匹配, Berge定理
?完备匹配, Hall条件, t条件
?完美匹配, Tutte定理
《集合论与图论》第26讲51
作业(#21)
?p334, 习题十三, 3,4,5,7,8
《集合论与图论》第26讲52
期末考试
?时间: 5月8日(周四)晚7:10-9:10
?地点: 理教107(单学号), 201(双学号)
按学号末位分教室, 按指示就座,
带上学生证或听课证.
?答疑: 5月7日(周三)上午10:00-12:00,
晚7:00-10:00,理科1#楼1625(22)室