(轉)感性理解二分圖中最小頂點覆蓋、最大獨立集、最小邊覆蓋與最大匹配的關係

先說概念:

1、最小頂點覆蓋:用最少的點覆蓋所有的邊(只要邊的一個端點被選取,即算“被覆蓋”);

2、最大獨立集:不直接相連的點的最大個數;

(注意:最大獨立集是一個點集,其中的點兩兩不直接相連(獨立集)、且在所有獨立集中點數最多,但是我們一般只求其元素個數(即點數))

3、最小邊覆蓋:用最少的邊覆蓋所有的點。

由於二分圖不存在孤立點(即無邊相連的點),上述問題必定有解。

舉個例子

對於上面這個二分圖,

最小頂點覆蓋是3,把左邊三個點取完是一種可行解。有什麼規律呢?設想一下,一條邊要被覆蓋,那麼它兩個端點至少有一個被取;所有邊要被覆蓋,即最小點覆蓋,要保證每條邊都至少被取了其中一個端點。這和二分圖最大匹配是不是相似?如果當前存在一個匹配,剩下的未匹配點中有兩點直接相連(即該邊兩端點都未取),那麼它一定不是最大匹配;反之,若爲最大匹配,其必定不存在未被覆蓋的邊。故最小點覆蓋==最大匹配數,這即是Konig定理。

最小邊覆蓋是4,取1-3、2-1、2-4、3-2是一種可行解。要探究它與最大匹配的關係,我們還是先看一看它的一些性質。首先,在最優的情況下,一條邊可以覆蓋兩個點,且選取這條邊前,這兩個點是不相匹配的;那麼根據貪心的原則,我們可以先取一次最大匹配,這時選取出來的每條邊都匹配(覆蓋)了兩個點。剩下的點怎麼辦呢?這時每條邊只能覆蓋一個點了。換言之,如果原本總共有n+m個點,最大匹配數是k(即覆蓋前2*k個點得最小邊數爲k),那麼剩餘的點的個數爲n+m-2*k,即需要用n+m-2*k條邊去覆蓋,因此總共需要n+m-2*k+k==n+m-k條邊去覆蓋,即最小邊覆蓋==總頂點數-最大匹配。

(另外,正如前文所說,因爲二分圖沒有孤立點,必定存在最小邊覆蓋;因爲最終未匹配的點必定存在與之相連並未使用的邊)

最大獨立集也是4,取右邊整個集合是一種可行解。根據定義:最大獨立集中的點相互之間無邊相連,故它們不存在匹配關係。那麼可以簡單地理解成:把最大匹配中的點以及與它們相連的邊中砍掉,剩下的就是孤立點了。因此,最大獨立集==總點數-最大匹配==最小邊覆蓋。
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