stringtranslate.com

Независимое множество (теория графов)

Девять синих вершин образуют максимальное независимое множество для обобщенного графа Петерсена GP(12,4).

В теории графов независимое множество , устойчивое множество , коклика или антиклика — это множество вершин графа , никакие две из которых не являются смежными. То есть это набор вершин, в котором для каждых двух вершин в , нет ребра, соединяющего их. Эквивалентно, каждое ребро графа имеет не более одной конечной точки в . Множество независимо тогда и только тогда, когда оно является кликой в ​​дополнении графа . Размер независимого множества — это количество содержащихся в нем вершин. Независимые множества также называют «внутренне стабильными множествами», сокращением которых является «стабильный набор». [1]

Максимальное независимое множество — это независимое множество, которое не является собственным подмножеством какого-либо другого независимого множества.

Максимальный независимый набор — это независимый набор максимально возможного размера для данного графа . Эта величина называется числом независимости и обычно обозначается . [2] Оптимизационная задача поиска такого набора называется проблемой максимального независимого множества. Это сильно NP-трудная задача. [3] Таким образом, маловероятно, что существует эффективный алгоритм поиска максимального независимого множества графа.

Каждое максимальное независимое множество также является максимальным, но обратное импликация не обязательно имеет место.

Характеристики

Связь с другими параметрами графика

Множество является независимым тогда и только тогда, когда оно является кликой в ​​дополнении графа , поэтому эти две концепции дополняют друг друга. Фактически, достаточно большие графы без больших клик имеют большие независимые множества — тема, которая исследуется в теории Рамсея .

Множество независимо тогда и только тогда, когда его дополнение является вершинным покрытием . [4] Следовательно, сумма размера наибольшего независимого множества и размера минимального вершинного покрытия равна количеству вершин в графе.

Раскраска вершин графа соответствует разбиению его множества вершин на независимые подмножества. Следовательно, минимальное количество цветов, необходимое для раскраски вершин, хроматическое число , равно как минимум частному числа вершин в и независимого числа .

В двудольном графе без изолированных вершин количество вершин в максимальном независимом множестве равно количеству ребер в минимальном покрытии ребер ; это теорема Кенига .

Максимально независимый набор

Независимое множество, не являющееся собственным подмножеством другого независимого множества, называется максимальным . Такие множества являются доминирующими множествами . Каждый граф содержит не более 3n / 3 максимальных независимых множеств, [5] , но во многих графах их гораздо меньше. Число максимальных независимых множеств в n -вершинных графах циклов определяется числами Перрена , а число максимальных независимых множеств в n -вершинных графах путей определяется последовательностью Падована . [6] Следовательно, оба числа пропорциональны степеням 1,324718..., коэффициенту пластичности .

Нахождение независимых множеств

В информатике изучалось несколько вычислительных задач , связанных с независимыми множествами.

Первые три из этих проблем важны для практических приложений; проблема решения независимого множества не существует, но она необходима для применения теории NP-полноты к проблемам, связанным с независимыми множествами.

Максимальные независимые множества и максимальные клики

Проблема независимого множества и проблема клики дополняют друг друга: клика в G является независимым множеством в графе дополнений G , и наоборот. Следовательно, многие результаты вычислений могут быть одинаково хорошо применены к любой задаче. Например, результаты, связанные с проблемой клики, имеют следующие следствия:

Несмотря на тесную связь между максимальными кликами и максимальными независимыми множествами в произвольных графах, проблемы независимых множеств и клик могут сильно различаться, если ограничиваться специальными классами графов. Например, для разреженных графов (графов, в которых количество ребер не превышает константы, умноженной на количество вершин в любом подграфе), максимальная клика имеет ограниченный размер и может быть найдена точно за линейное время; [7] однако для тех же классов графов или даже для более ограниченного класса графов ограниченной степени нахождение максимального независимого множества является MAXSNP-полным , а это означает, что для некоторой константы c (в зависимости от степени) оно является NP -трудно найти приближенное решение, которое находится в пределах с раза от оптимума. [8]

Точные алгоритмы

Задача о максимальном независимом множестве NP-трудна. Однако ее можно решить более эффективно, чем за время O( n 2  2 n ), которое можно получить с помощью простого алгоритма грубой силы , который исследует каждое подмножество вершин и проверяет, является ли оно независимым набором.

По состоянию на 2017 год ее можно решить за время O(1,1996 n ), используя полиномиальное пространство. [9] Если ограничиться графами с максимальной степенью 3, задачу можно решить за время O(1,0836 n ). [10]

Для многих классов графов максимальное независимое от веса множество может быть найдено за полиномиальное время. Известными примерами являются графы без клешней , [11] P 5 -свободные графы [12] и совершенные графы . [13] Для хордальных графов максимальное независимое от веса множество можно найти за линейное время. [14]

Модульная декомпозиция — хороший инструмент для решения задачи о независимом множестве максимального веса; Алгоритм линейного времени на кографах является основным примером этого. Другим важным инструментом являются разделители кликов, описанные Тарьяном. [15]

Теорема Кенига подразумевает, что в двудольном графе максимальное независимое множество может быть найдено за полиномиальное время с использованием алгоритма двудольного сопоставления.

Алгоритмы аппроксимации

В общем, задача о максимальном независимом множестве не может быть аппроксимирована постоянным коэффициентом за полиномиальное время (если только P = NP). Фактически, Max Independent Set в целом является Poly-APX-полным , что означает, что он так же сложен, как и любая задача, которую можно аппроксимировать полиномиальным коэффициентом. [16] Однако существуют эффективные алгоритмы аппроксимации для ограниченных классов графов.

В планарных графах

В плоских графах максимальный независимый набор может быть аппроксимирован с точностью до любого коэффициента аппроксимации c  <1 за полиномиальное время; подобные схемы аппроксимации за полиномиальное время существуют в любом семействе графов, замкнутых относительно принятия миноров . [17]

В графах ограниченной степени

В графах ограниченной степени известны эффективные алгоритмы аппроксимации с коэффициентами аппроксимации , постоянными при фиксированном значении максимальной степени; например, жадный алгоритм , который формирует максимальное независимое множество, выбирая на каждом шаге вершину минимальной степени в графе и удаляя ее соседей, достигает коэффициента аппроксимации (Δ+2)/3 на графах с максимальной степенью Δ. [18] Оценки жесткости аппроксимации для таких случаев были доказаны в Бермане и Карпински (1999). Действительно, даже Max Independent Set на 3-регулярных графах с 3-реберной раскраской является APX-полным . [19]

В графах пересечения интервалов

Граф интервалов — это граф, узлами которого являются одномерные интервалы (например, временные интервалы), и между двумя интервалами существует ребро тогда и только тогда, когда они пересекаются. Независимый набор в графе интервалов — это просто набор непересекающихся интервалов. Проблема поиска максимальных независимых наборов в интервальных графах изучалась, например, в контексте планирования заданий : по заданному набору заданий, который необходимо выполнить на компьютере, найдите максимальный набор заданий, которые можно выполнить, не мешая друг с другом. Эту проблему можно решить точно за полиномиальное время, используя планирование с самым ранним сроком выполнения .

В графах геометрических пересечений

Граф геометрических пересечений — это граф, в котором узлами являются геометрические фигуры, а между двумя фигурами существует ребро тогда и только тогда, когда они пересекаются. Независимый набор в графе геометрических пересечений — это просто набор непересекающихся (непересекающихся) фигур. Проблема поиска максимальных независимых множеств в графах геометрических пересечений изучалась, например, в контексте автоматического размещения меток : по заданному набору мест на карте найдите максимальный набор непересекающихся прямоугольных меток рядом с этими местоположениями.

Поиск максимального независимого множества в графах пересечений по-прежнему является NP-полным, но его легче аппроксимировать, чем общую задачу о максимальном независимом множестве. Результаты недавнего исследования можно найти во введении Chan & Har-Peled (2012).

В графах без d-когтей

D -клешня в графе — это набор из d +1 вершин, одна из которых («центр») соединена с другими d вершинами, но остальные d вершины не связаны друг с другом. Граф без d - когтей — это граф, в котором нет подграфа d -когтей. Рассмотрим алгоритм, который начинается с пустого набора и постепенно добавляет к нему произвольную вершину, пока она не смежна ни с одной существующей вершиной. В графах без d -когтей каждая добавленная вершина делает недействительным не более d -1 вершины из максимального независимого набора; следовательно, этот тривиальный алгоритм достигает алгоритма ( d -1)-аппроксимации для максимального независимого множества. На самом деле можно получить гораздо лучшие коэффициенты аппроксимации:

Нахождение максимальных независимых множеств

Задача нахождения максимального независимого множества может быть решена за полиномиальное время с помощью тривиального параллельного жадного алгоритма . [22] Все максимальные независимые множества можно найти за время O(3 n /3 ) = O(1,4423 n ).

Подсчет независимых наборов

Нерешенная задача в информатике :

Существует ли полностью полиномиальный алгоритм аппроксимации количества независимых множеств в двудольных графах?

Задача подсчета #IS спрашивает, сколько независимых множеств в неориентированном графе он содержит. Эта задача трудноразрешима, а именно, она ♯P -полна уже на графах максимальной степени три. [23] Далее известно, что, предполагая, что NP отличается от RP , проблема не может быть легко аппроксимирована в том смысле, что она не имеет полностью полиномиальной схемы аппроксимации с рандомизацией (FPRAS), даже на графах с максимальной степенью. шесть; [24] , однако он имеет полностью полиномиальную схему аппроксимации (FPTAS) в случае, когда максимальная степень равна пяти. [25] Задача #BIS о подсчете независимых множеств на двудольных графах также является ♯P -полной, уже на графах с максимальной степенью три. [26] Неизвестно, признает ли #BIS FPRAS. [27]

Изучен также вопрос о подсчете максимальных независимых множеств .

Приложения

Максимальный независимый набор и его дополнение, задача минимального вершинного покрытия , используются для доказательства вычислительной сложности многих теоретических задач. [28] Они также служат полезными моделями для реальных задач оптимизации, например, максимальное независимое множество является полезной моделью для обнаружения стабильных генетических компонентов для проектирования инженерных генетических систем . [29]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Коршунов (1974)
  2. ^ Годсил и Ройл (2001), с. 3.
  3. ^ Гэри, MR; Джонсон, DS (1 июля 1978 г.). «Сильные» результаты NP-полноты: мотивация, примеры и последствия». Журнал АКМ . 25 (3): 499–508. дои : 10.1145/322077.322090 . ISSN  0004-5411. S2CID  18371269.
  4. ^ Доказательство: множество вершин V является независимым множеством. тогда и только тогда, когда каждое ребро в графе смежно не более чем с одним элементом V, тогда и только если каждое ребро в графе смежно хотя бы с одним элементом, не принадлежащим V, тогда и только тогда, когда дополнение к V является вершиной крышка.
  5. ^ Мун и Мозер (1965).
  6. ^ Фюреди (1987).
  7. ^ Чиба и Нисидзеки (1985).
  8. ^ Берман и Фудзито (1995).
  9. ^ Сяо и Нагамоти (2017)
  10. ^ Сяо и Нагамоти (2013)
  11. ^ Минти (1980), Сбихи (1980), Накамура и Тамура (2001), Фаэнца, Ориоло и Штауффер (2014), Нобили и Сассано (2015)
  12. ^ Локштанов, Ватшелле и Вилланджер (2014)
  13. ^ Гретшель, Ловас и Шрийвер (1993, глава 9: Стабильные множества в графах)
  14. ^ Фрэнк (1976)
  15. ^ Тарьян (1985)
  16. ^ Базган, Кристина ; Эскофье, Бруно; Пашос, Вангелис Т. (2005). «Полнота в классах стандартной и дифференциальной аппроксимации: поли-(D)APX- и (D)PTAS-полнота». Теоретическая информатика . 339 (2–3): 272–292. дои : 10.1016/j.tcs.2005.03.007 . S2CID  1418848.
  17. ^ Бейкер (1994); Гроэ (2003).
  18. ^ Халлдорссон и Радхакришнан (1997).
  19. ^ Хлебик, Мирослав; Хлебикова, Янка (2003). «Твердость аппроксимации для небольших случаев NP-сложных задач». Материалы 5-й Международной конференции по алгоритмам и сложности . Конспекты лекций по информатике. Том. 2653. стр. 152–164. дои : 10.1007/3-540-44849-7_21. ISBN 978-3-540-40176-6.
  20. ^ Нойвонер, Майке (07.06.2021), Улучшенный алгоритм аппроксимации для задачи независимого множества о максимальном весе в свободных графах с d-когтями , arXiv : 2106.03545
  21. ^ Циган, Марек (октябрь 2013 г.). «Улучшенное приближение для трехмерного сопоставления с помощью локального поиска с ограниченной шириной пути». 54-й ежегодный симпозиум IEEE по основам информатики, 2013 г. стр. 509–518. arXiv : 1304.1424 . дои : 10.1109/FOCS.2013.61. ISBN 978-0-7695-5135-7. S2CID  14160646.
  22. ^ Луби (1986).
  23. ^ Дайер, Мартин; Гринхилл, Кэтрин (1 апреля 2000 г.). «О цепях Маркова для независимых множеств». Журнал алгоритмов . 35 (1): 17–49. дои : 10.1006/jagm.1999.1071. ISSN  0196-6774.
  24. ^ Хитрый, Аллан (2010). «Вычислительный переход на пороге уникальности». 2010 51-й ежегодный симпозиум IEEE по основам информатики . стр. 287–296. дои : 10.1109/FOCS.2010.34. ISBN 978-1-4244-8525-3. S2CID  901126.
  25. ^ Безакова, Ивона; Галанис, Андреас; Голдберг, Лесли Энн; Го, Хэн; Штефанкович, Даниэль (2019). «Аппроксимация посредством затухания корреляции при невозможности сильного пространственного смешивания». SIAM Journal по вычислительной технике . 48 (2): 279–349. arXiv : 1510.09193 . дои : 10.1137/16M1083906. ISSN  0097-5397. S2CID  131975798.
  26. ^ Ся, Минджи; Чжан, Пэн; Чжао, Вэньбо (24 сентября 2007 г.). «Вычислительная сложность задач счета на 3-регулярных планарных графах». Теоретическая информатика . Теория и приложения моделей вычислений. 384 (1): 111–125. дои : 10.1016/j.tcs.2007.05.023. ISSN  0304-3975., цитируется в Curticapean, Radu; Делл, Хольгер; Фомин, Федор; Голдберг, Лесли Энн; Лапинскас, Джон (01 октября 2019 г.). «Перспектива #BIS с фиксированными параметрами». Алгоритмика . 81 (10): 3844–3864. дои : 10.1007/s00453-019-00606-4 . hdl : 1983/ecb5c34c-d6be-44ec-97ea-080f57c5e6af . ISSN  1432-0541. S2CID  3626662.
  27. ^ Кэннон, Сара; Перкинс, Уилл (2020). Чавла, Шучи (ред.). Материалы четырнадцатого ежегодного симпозиума ACM-SIAM по дискретным алгоритмам. Филадельфия, Пенсильвания: Общество промышленной и прикладной математики. arXiv : 1906.01666 . дои : 10.1137/1.9781611975994.88. ISBN 978-1-61197-599-4. S2CID  174799567.
  28. ^ Скиена, Стивен С. (2012). Руководство по проектированию алгоритма . Спрингер. ISBN 978-1-84800-069-8. ОСЛК  820425142.
  29. ^ Хоссейн, Аяан; Лопес, Эриберто; Халпер, Шон М.; Цетнар, Дэниел П.; Рейс, Александр К.; Стрикленд, Девин; Клавинс, Эрик; Салис, Ховард М. (13 июля 2020 г.). «Автоматическое проектирование тысяч неповторяющихся деталей для разработки стабильных генетических систем». Природная биотехнология . 38 (12): 1466–1475. дои : 10.1038/s41587-020-0584-2. ISSN  1546-1696. PMID  32661437. S2CID  220506228.

Рекомендации

Внешние ссылки