Dopasowanie w hipergrafach

W teorii grafów dopasowanie w hipergrafie jest zbiorem hiperkrawędzi , w którym każde dwie hiperkrawędzie rozłączne . Jest to rozszerzenie pojęcia dopasowywania w grafie .

Definicja

Przypomnijmy, że hipergraf H to para ( V , E ) , gdzie V to zbiór wierzchołków , a E to zbiór podzbiorów V zwanych hiperkrawędziami . Każda hiperkrawędź może zawierać jeden lub więcej wierzchołków.

Dopasowanie w H jest podzbiorem M z E , takim , że każde dwa hiperkrawędzie e 1 i e 2 w M mają puste przecięcie (nie mają wspólnego wierzchołka).

Pasująca liczba hipergrafu H jest największym rozmiarem dopasowania w H . Często jest oznaczany przez ν( H ) .

Jako przykład niech V będzie zbiorem {1,2,3,4,5,6,7}. Rozważ 3-jednolity hipergraf na V (hipergraf, w którym każda hipergraf zawiera dokładnie 3 wierzchołki). Niech H będzie 3-jednostajnym hipergrafem z 4 hiperkrawędziami:

{ {1,2,3}, {1,4,5}, {4,5,6}, {2,3,6} }

Następnie H dopuszcza kilka dopasowań o rozmiarze 2, na przykład:

{ {1,2,3}, {4,5,6} }
{ {1,4,5}, {2,3,6} }

Jednak w dowolnym podzbiorze 3 hiperkrawędzi co najmniej dwie z nich przecinają się, więc nie ma dopasowania rozmiaru 3. Stąd pasująca liczba H wynosi 2.

Przecinający się hipergraf

Hipergraf H = ( V , E ) nazywamy przecinającym się , jeśli każde dwa hipergrafy w E mają wspólny wierzchołek. Hipergraf H przecina się wtedy i tylko wtedy, gdy nie ma dopasowania z dwoma lub więcej hipergrafami, wtedy i tylko wtedy, gdy ν( H ) = 1 .

Dopasowanie na wykresie jako przypadek szczególny

Graf bez pętli własnych jest po prostu hipergrafem 2-jednorodnym: każda krawędź może być traktowana jako zbiór dwóch wierzchołków, które łączy. Na przykład ten 2-jednolity hipergraf reprezentuje graf z 4 wierzchołkami {1,2,3,4} i 3 krawędziami:

{ {1,3}, {1,4}, {2,4} }

Zgodnie z powyższą definicją dopasowanie na grafie to zbiór M krawędzi, taki że każde dwie krawędzie w M mają puste przecięcie. Jest to równoważne stwierdzeniu, że żadne dwie krawędzie w M nie sąsiadują z tym samym wierzchołkiem; to jest dokładnie definicja dopasowania na wykresie .

Dopasowanie ułamkowe

Dopasowanie ułamkowe w hipergrafie to funkcja, która przypisuje ułamek w [0,1] do każdej hiperkrawędzi, tak że dla każdego wierzchołka v w V suma ułamków hiperkrawędzi zawierających v wynosi co najwyżej 1. Dopasowanie jest specjalnym przypadek dopasowania ułamkowego, w którym wszystkie ułamki wynoszą 0 lub 1. Rozmiar dopasowania ułamkowego to suma ułamków wszystkich hiperkrawędzi.

Ułamkowa liczba dopasowania hipergrafu H jest największym rozmiarem dopasowania ułamkowego w H . Jest często oznaczany przez ν *( H ) .

Ponieważ dopasowanie jest szczególnym przypadkiem dopasowania ułamkowego, dla każdego hipergrafu H :

Pasująca liczba( H ) ≤ pasująca liczba ułamkowa ( H )

Symbolicznie ta zasada jest zapisana:

Ogólnie rzecz biorąc, ułamkowa pasująca liczba może być większa niż pasująca liczba. Twierdzenie Zoltána Fürediego podaje górne granice stosunku ułamkowej liczby pasującej ( H ) / liczby pasującej ( H ):

  • Jeśli każda hiperkrawędź w H zawiera co najwyżej r wierzchołków, to

    W szczególności na prostym wykresie:

    • Nierówność jest ostra: Niech H r będzie r -jednolitą skończoną płaszczyzną rzutową . Wtedy ν ( H r ) = 1 , ponieważ każde dwie hiperkrawędzie się przecinają, a ν * ( H r ) = r – 1 + 1 / r przez dopasowanie ułamkowe, które przypisuje wagę 1 / r każdej hiperkrawędzi (jest to dopasowanie, ponieważ każdy wierzchołek jest zawarty w r hiperkrawędziach, a jego rozmiar to r – 1 + 1 / r , ponieważ istnieje r 2 r + 1 hiperkrawędzi). Zatem stosunek wynosi dokładnie r – 1 + 1 / r .
  • Jeśli r jest takie, że r -jednolita skończona płaszczyzna rzutowa nie istnieje (na przykład r = 7 ), to zachodzi silniejsza nierówność:

  • Jeśli H jest r -partite (wierzchołki są podzielone na r części, a każda hiperkrawędź zawiera wierzchołek z każdej części), to:

    W szczególności na grafie dwudzielnym ν *( H ) = ν ( H ) . Udowodnił to András Gyárfás .

    • Nierówność jest ostra: Niech H r- będzie ściętą płaszczyzną rzutową rzędu r – 1 . Wtedy ν ( H r - ) = 1 , ponieważ każde dwie hiperkrawędzie się przecinają, a ν * ( H r - ) = r – 1 przez dopasowanie ułamkowe, które przypisuje wagę 1 / r każdej hiperkrawędzi (jest r 2 r hiperkrawędzi ).

Idealne dopasowanie

Dopasowane M jest nazywane doskonałym , jeśli każdy wierzchołek v w V jest zawarty w dokładnie jednej hiperkrawędzi M . Jest to naturalne rozszerzenie pojęcia doskonałego dopasowania w grafie.

Ułamkowe dopasowanie M nazywamy idealnym , jeśli dla każdego wierzchołka v w V suma ułamków hiperkrawędzi w M zawierających v wynosi dokładnie 1.

Rozważmy hipergraf H , w którym każda hiperkrawędź zawiera co najwyżej n wierzchołków. Jeśli H dopuszcza doskonałe dopasowanie ułamkowe, to jego ułamkowa liczba dopasowania wynosi co najmniej | V | rz . Jeśli każda hiperkrawędź w H zawiera dokładnie n wierzchołków, to jej ułamkowa liczba pasujących wynosi dokładnie | V | rz . Jest to uogólnienie faktu, że na wykresie rozmiar idealnego dopasowania to | V | 2 .

Biorąc pod uwagę zbiór V wierzchołków, zbiór E podzbiorów V nazywamy zrównoważonym, jeśli hipergraf ( V , E ) dopuszcza doskonałe dopasowanie ułamkowe.

Na przykład, jeśli V = {1,2,3,a,b,c} i E = {{1,a}, {2,a}, {1,b}, {2,b}, {3, c} }, wtedy E jest zrównoważone, z doskonałym dopasowaniem ułamkowym { 1/2, 1/2, 1/2, 1/2, 1 }.

Istnieją różne warunki wystarczające dla istnienia idealnego dopasowania w hipergrafie:

Zrównoważona rodzina zestawów

Rodzina zbiorów E nad zbiorem podstawowym V nazywana jest zrównoważoną (względem V ), jeśli hipergraf H = ( V , E ) dopuszcza doskonałe dopasowanie ułamkowe.

Rozważmy na przykład zbiór wierzchołków V = {1,2,3,a,b,c} i zbiór krawędzi E = {1-a, 2-a, 1-b, 2-b, 3-c}. E jest zrównoważone, ponieważ istnieje idealne dopasowanie ułamkowe o wagach {1/2, 1/2, 1/2, 1/2, 1}.

Obliczanie maksymalnego dopasowania

Problem znalezienia dopasowania o maksymalnej liczności w hipergrafie, a tym samym obliczenia dla hipergrafów 3-jednolitych (patrz 3-wymiarowe . Kontrastuje to z przypadkiem prostych (2-jednolitych) grafów, w których obliczenie dopasowania o maksymalnej liczności można wykonać w czasie wielomianowym.

Dopasowanie i pokrycie

wierzchołków w hipergrafie H = ( V , E ) jest podzbiorem T V , takim że każda hiperkrawędź w E zawiera co najmniej jeden wierzchołek T (nazywany jest również zbiorem poprzecznym lub uderzającym i jest równoważny zestaw okładek ). Jest to uogólnienie pojęcia pokrycia wierzchołków w grafie.

Liczba pokrycia wierzchołków hipergrafu H jest najmniejszym rozmiarem pokrycia wierzchołków w H . Jest często oznaczany przez τ ( H ) dla poprzecznego.

Ułamkowe pokrycie wierzchołków to funkcja przypisująca wagę każdemu wierzchołkowi w V , tak że dla każdej hiperkrawędzi e w E , suma ułamków wierzchołków w e wynosi co najmniej 1. Pokrycie wierzchołków jest szczególnym przypadkiem wierzchołka ułamkowego pokrycie, w którym wszystkie wagi wynoszą 0 lub 1. Rozmiar ułamkowego pokrycia wierzchołków jest sumą ułamków wszystkich wierzchołków.

Ułamkowa liczba pokrycia wierzchołków hipergrafu H jest najmniejszym rozmiarem ułamkowego pokrycia wierzchołków w H . Często jest oznaczany przez τ *( H ) .

Ponieważ pokrycie wierzchołków jest szczególnym przypadkiem ułamkowego pokrycia wierzchołków, dla każdego hipergrafu H :

ułamkowa-liczba-pokrycia-wierzchołków ( H ) ≤ liczba-pokrycia-wierzchołków ( H ).

Dualność programowania liniowego implikuje, że dla każdego hipergrafu H :

ułamkowa-dopasowana-liczba ( H ) = ułamkowa-liczba-pokrycia-wierzchołków( H ).

Stąd dla każdego hipergrafu H :

Jeśli rozmiar każdej hiperkrawędzi w H wynosi co najwyżej r , to suma wszystkich hiperkrawędzi w maksymalnym dopasowaniu jest wierzchołkiem-pokryciem (gdyby istniała odkryta hiperkrawędź, moglibyśmy dodać ją do dopasowania). Dlatego:

Ta nierówność jest ścisła: równość zachodzi, na przykład, gdy V zawiera r ν ( H ) + r – 1 wierzchołków, a E zawiera wszystkie podzbiory r wierzchołków.

Jednak ogólnie τ *( H ) < r ν ( H ) , ponieważ ν * ( H ) < r ν ( H ) ; patrz Dopasowanie ułamkowe powyżej.

Hipoteza Rysera mówi, że w każdym hipergrafie r -partite r -uniform:

Udowodniono niektóre szczególne przypadki przypuszczenia; patrz przypuszczenie Rysera .

własność Kőniga

Hipergraf ma właściwość Kőniga , jeśli jego maksymalna liczba dopasowań jest równa minimalnej liczbie pokrycia wierzchołka, a mianowicie, jeśli ν ( H ) = τ ( H ) . Twierdzenie Kőniga -Egerváry'ego pokazuje, że każdy graf dwudzielny ma właściwość Kőniga. Aby rozszerzyć to twierdzenie na hipergrafy, musimy rozszerzyć pojęcie dwudzielności na hipergrafy.

Naturalne uogólnienie jest następujące. Hipergraf nazywamy 2-kolorowym , jeśli jego wierzchołki mogą być 2-kolorowe, tak że każda hipergraf (o rozmiarze co najmniej 2) zawiera co najmniej jeden wierzchołek każdego koloru. Alternatywnym terminem jest Właściwość B . Prosty graf jest dwudzielny, jeśli jest 2-kolorowy. Istnieją jednak 2-kolorowe hipergrafy bez właściwości Kőniga. Weźmy na przykład hipergraf z V = {1,2,3,4} ze wszystkimi trójkami E = { {1,2,3} , {1,2,4} , {1,3,4} , {2 ,3,4} }. Jest dwukolorowy, na przykład możemy pokolorować {1,2} niebieski i {3,4} biały. Jednak jego numer dopasowania to 1, a numer pokrycia wierzchołka to 2.

Silniejsze uogólnienie jest następujące. Biorąc pod uwagę hipergraf H = ( V , E ) i podzbiór V' z V , ograniczeniem H do V' jest hipergraf, którego wierzchołkami są V , a dla każdej hipergrafu e w E , który przecina V' , ma hiperkrawędź e' , która jest przecięciem e i V' . Hipergraf nazywamy zrównoważonym , jeśli wszystkie jego ograniczenia są dwukolorowe. Graf prosty jest dwudzielny, jeśli jest zrównoważony.

Prosty graf jest dwudzielny, jeśli nie ma cykli o nieparzystej długości. Podobnie hipergraf jest zrównoważony, jeśli nie ma obwodów o nieparzystej długości . Obwód o długości k w hipergrafie jest ciągiem naprzemiennym ( v 1 , e 1 , v 2 , e 2 , …, v k , e k , v k +1 = v 1 ) , gdzie v i różnymi wierzchołkami i the e i są odrębnymi hiperkrawędziami, a każda hiperkrawędź zawiera wierzchołek po lewej stronie i wierzchołek po prawej stronie. Obwód nazywamy niezrównoważonym , jeśli każda hiperkrawędź nie zawiera innych wierzchołków w obwodzie. Claude Berge udowodnił, że hipergraf jest zrównoważony wtedy i tylko wtedy, gdy nie zawiera niezrównoważonego obwodu o nieparzystej długości. Każdy zrównoważony hipergraf ma własność Kőniga.

Następujące są równoważne:

  • Każdy hipergraf częściowy H (tj. hipergraf wyprowadzony z H przez usunięcie niektórych hipergrafów) ma właściwość Kőniga.
  • Każdy hipergraf cząstkowy H ma tę właściwość, że jego maksymalny stopień jest równy minimalnemu numerowi zabarwienia krawędzi .
  • H ma właściwość Helly'ego , a graf przecięcia H (prosty graf, w którym wierzchołki to E , a dwa elementy E są połączone wtedy i tylko wtedy, gdy się przecinają) jest grafem doskonałym .

Dopasowywanie i pakowanie

Problem pakowania zestawów jest równoważny dopasowywaniu hipergrafów.

Upakowanie wierzchołków w (prostym) grafie jest podzbiorem P jego wierzchołków, tak że żadne dwa wierzchołki w P nie sąsiadują ze sobą.

Problem znalezienia maksymalnego upakowania wierzchołków w grafie jest równoważny problemowi znalezienia maksymalnego dopasowania w hipergrafie:

  • Biorąc pod uwagę hipergraf H = ( V , E ) , zdefiniuj jego graf przecięcia Int( H ) jako prosty graf, którego wierzchołkami są E i którego krawędzie są parami ( e 1 , e 2 ) takie , że e 1 , e 2 mają wierzchołek w wspólny. Wtedy każde dopasowanie w H jest pakowaniem wierzchołków w Int( H ) i odwrotnie.
  • Biorąc pod uwagę graf G = ( V' , E' ) , zdefiniuj jego hipergraf gwiazdowy St( G ) jako hipergraf, którego wierzchołkami są E' i którego hiperkrawędzie są gwiazdami wierzchołków G (tj. dla każdego wierzchołka v' w V ' , istnieje hiperkrawędź w St( G ) , która zawiera wszystkie krawędzie w E' , które sąsiadują z v' ). Wtedy każde upakowanie wierzchołków w G jest dopasowaniem w St( G ) i odwrotnie.
  • Alternatywnie, biorąc pod uwagę graf G = ( V' , E' ) , zdefiniuj jego hipergraf kliki Cl( G ) jako hipergraf, którego wierzchołki są klikami G , a dla każdego wierzchołka v' w V' istnieje hipergraf w Cl ( G ) zawierający wszystkie kliki w G , które zawierają v' . Z drugiej strony każde upakowanie wierzchołków w G jest dopasowaniem Cl( G ) i odwrotnie. Zauważ, że Cl( G ) nie może być skonstruowany z G w czasie wielomianowym , więc nie może być użyty jako redukcja do udowodnienia NP-twardości. Ale ma pewne zastosowania teoretyczne.

Zobacz też

  1. ^ a b c d e f g    Lovász, László ; Plummer, MD (1986), Matching Theory , Annals of Discrete Mathematics, tom. 29, Holandia Północna, ISBN 0-444-87916-1 , MR 0859549
  2. ^ Berge, Claude (1973). Wykresy i hipergrafy . Amsterdam: Holandia Północna.
  3. ^ ab Aharoni   , Ron; Kessler, Ofra (15.10.1990). „O możliwym rozszerzeniu twierdzenia Halla na hipergrafy dwudzielne” . Matematyka dyskretna . 84 (3): 309–313. doi : 10.1016/0012-365X(90)90136-6 . ISSN 0012-365X .
  4. ^ a b c d    Füredi, Zoltán (1981-06-01). „Maksymalny stopień i dopasowania ułamkowe w jednolitych hipergrafach”. kombinatoryka . 1 (2): 155–162. doi : 10.1007/BF02579271 . ISSN 1439-6912 . S2CID 10530732 .
  5. ^   Lovász, L. (1974). Berge, Claude; Ray-Chaudhuri, Dijen (red.). „Twierdzenia Minimax dla hipergrafów”. Seminarium hipergraficzne . Notatki z wykładów z matematyki. Berlin, Heidelberg: Springer. 411 : 111–126. doi : 10.1007/BFb0066186 . ISBN 978-3-540-37803-7 .
  6. ^ a b    Nyman, Kathryn; Su, Franciszek Edward; Zerbib, Shira (2020-01-02). „Sprawiedliwy podział z wieloma elementami” . Dyskretna matematyka stosowana . 283 : 115–122. ar Xiv : 1710.09477 . doi : 10.1016/j.dam.2019.12.018 . ISSN 0166-218X . S2CID 119602376 .
  7. Bibliografia   _ Mycroft, Richard (2015-01-01). Geometryczna teoria dopasowywania hipergrafów . Wspomnienia Amerykańskiego Towarzystwa Matematycznego. Tom. 233. Amerykańskie Towarzystwo Matematyczne. ISBN 978-1-4704-0965-4 .
  8. ^   Berge, CLAUDE (1973-01-01), Srivastava, JAGDISH N. (red.), „ROZDZIAŁ 2 - Zrównoważone hipergrafy i niektóre zastosowania teorii grafów” , A Survey of Combinatorial Theory , North-Holland, s. 15– 23, ISBN 978-0-7204-2262-7 , pobrane 2020-06-19
  9. Bibliografia    _ Vergnas, Michel LAS (1970). „Sur Un Twierdzenia Du Type König Pour Hypergraphes”. Roczniki Akademii Nauk w Nowym Jorku . 175 (1): 32–40. doi : 10.1111/j.1749-6632.1970.tb56451.x . ISSN 1749-6632 . S2CID 84670737 .