В теории графов доминирующим множеством для графа G является подмножество D его вершин, такое, что любая вершина G либо находится в D , либо имеет соседа в D. Число доминирования γ( G ) — это количество вершин в наименьшем доминирующем множестве для G .
Проблема доминирующего множества касается проверки того, является ли γ( G ) ⩽ K для данного графа G и входных данных K ; это классическая NP-полная задача решения в теории сложности вычислений . [1] Поэтому считается, что не может быть эффективного алгоритма , который мог бы вычислить γ( G ) для всех графов G . Однако существуют эффективные алгоритмы аппроксимации , а также эффективные точные алгоритмы для определенных классов графов.
Доминирующие множества представляют практический интерес в нескольких областях. В беспроводных сетях доминирующие наборы используются для поиска эффективных маршрутов в одноранговых мобильных сетях. Они также использовались при обобщении документов и при проектировании безопасных систем для электрических сетей .
Для неориентированного графа G = ( V , E ) подмножество вершин называется доминирующим множеством, если для каждой вершины существует такая вершина, что .
Каждый граф имеет хотя бы одно доминирующее множество: если множество всех вершин, то по определению D является доминирующим множеством, поскольку вершины нет . Более интересная задача — найти небольшие доминирующие множества. Число доминирования G определяется как : .
Связное доминирующее множество — это доминирующее множество, которое также связно . Если S — связное доминирующее множество, можно сформировать остовное дерево G , в котором S образует множество нелистовых вершин дерева; и наоборот, если T — любое остовное дерево в графе с более чем двумя вершинами, нелистовые вершины T образуют связное доминирующее множество. Следовательно, поиск минимального связного доминирующего множества эквивалентен поиску остовного дерева с максимально возможным числом листьев.
Полный доминирующий набор (или сильно доминирующий набор ) — это набор вершин, такой, что все вершины в графе, включая сами вершины в доминирующем множестве, имеют соседа в доминирующем множестве. [2] То есть: для каждой вершины существует такая вершина, что . На рисунке (c) выше показано доминирующее множество, которое представляет собой связное доминирующее множество и полное доминирующее множество; примеры на рисунках (a) и (b) не являются ни тем, ни другим. В отличие от простого доминирующего множества, полное доминирующее множество может не существовать. Например, граф с одной или несколькими вершинами и без ребер не имеет полного доминирующего множества. Число сильного доминирования G определяется как : ; очевидно, .
Доминирующее множество ребер — это множество ребер (пар вершин), объединение которых является доминирующим множеством; такого множества может не существовать (например, его не имеет граф с одной или несколькими вершинами и без ребер). Если оно существует, то объединение всех его ребер является сильно доминирующим множеством. Следовательно, наименьший размер множества с доминирующим ребром равен не менее .
Напротив, набор с доминированием ребер - это набор D ребер, такой, что каждое ребро, не входящее в D , смежно хотя бы с одним ребром в D ; такое множество всегда существует (например, множество всех ребер является множеством с доминирующим ребром).
k -доминирующее множество — это такое множество вершин, что каждая вершина, не входящая в набор, имеет не менее k соседей в множестве (стандартное доминирующее множество — это 1-доминирующее множество) . Аналогично, доминирующий набор из k -кортежа — это такой набор вершин, что каждая вершина в графе имеет не менее k соседей в этом множестве (полный доминирующий набор — это доминирующий набор из 1 кортежа). (1 + log n ) -аппроксимация минимального доминирующего набора из k -кортежа может быть найдена за полиномиальное время. [3] Каждый граф допускает k -доминирующее множество (например, множество всех вершин); но только графы с минимальной степенью k - 1 допускают доминирующее множество из k -кортежа. Однако даже если граф допускает доминирующий набор из k -кортежей, минимальный доминирующий набор из k -кортежей может быть почти в k раз больше, чем минимальный доминантный набор из k -кортежей для того же графа; [4] (1,7 + log Δ) -аппроксимация минимального k -доминирующего множества также может быть найдена за полиномиальное время.
Множество с доминированием звезды — это подмножество D множества V такое, что для каждой вершины v в V звезда v ( набор ребер, смежных с v ) пересекает звезду некоторой вершины в D. Очевидно, что если G имеет изолированные вершины , то в ней нет множеств, доминирующих по звездам (поскольку звезда изолированных вершин пуста). Если G не имеет изолированных вершин, то каждое доминирующее множество является звездно-доминирующим множеством, и наоборот. Различие между звездным доминированием и обычным доминированием становится более существенным, если рассматривать их дробные варианты. [5]
Доматическое разбиение — это разбиение вершин на непересекающиеся доминирующие множества. Доматическое число — это максимальный размер домашнего раздела.
Вечное доминирующее множество — это динамическая версия доминирования, в которой вершина v в доминирующем множестве D выбирается и заменяется соседом u ( u нет в D ), так что модифицированное D также является доминирующим множеством, и этот процесс можно повторить. над любой бесконечной последовательностью выборов вершин v .
Доминирующие множества тесно связаны с независимыми множествами : независимый набор также является доминирующим множеством тогда и только тогда, когда он является максимальным независимым набором , поэтому любой максимальный независимый набор в графе обязательно является также минимальным доминирующим набором.
Доминирующая совокупность может быть независимой, а может и не быть независимой. Например, на рисунках (a) и (b) выше показаны независимые доминирующие множества, а на рисунке (c) показан доминирующий набор, который не является независимым набором.
Независимое число доминирования i ( G ) графа G — это размер наименьшего доминирующего набора, который является независимым набором. Эквивалентно, это размер наименьшего максимального независимого множества. Минимум в i ( G ) берется за меньшее количество элементов (рассматриваются только независимые множества), поэтому γ ( G ) ≤ i ( G ) для всех графов G .
Неравенство может быть строгим — существуют графы G , для которых γ ( G ) < i ( G ) . Например, пусть G — двойной звездчатый граф, состоящий из вершин , где p , q > 1 . Ребра G определяются следующим образом: каждое xi смежно с a , a смежно с b , а b смежно с каждым yj . Тогда γ( G ) = 2 , поскольку { a , b } — наименьшее доминирующее множество. Если p ≤ q , то i ( G ) = p + 1, поскольку это наименьшее доминирующее множество, которое также является независимым (это наименьшее максимальное независимое множество).
Существуют семейства графов, в которых γ( G ) = i ( G ) , то есть каждое минимальное максимальное независимое множество является минимальным доминирующим множеством. Например, γ( G ) = i ( G ), если G — граф без когтей . [6]
Граф G называется совершенным по доминированию графом, если γ ( H ) = i ( H ) в каждом индуцированном подграфе H графа G. Поскольку индуцированный подграф графа без клешней не содержит клешней, отсюда следует, что каждый граф без клешней также совершенен по доминированию. [7]
Для любого графа G его линейный граф L ( G ) не имеет когтей, и, следовательно, минимальное максимальное независимое множество в L ( G ) также является минимальным доминирующим множеством в L ( G ) . Независимый набор в L ( G ) соответствует паросочетанию в G , а доминирующий набор в L ( G ) соответствует множеству с доминирующим ребром в G. Следовательно, минимальное максимальное паросочетание имеет тот же размер, что и минимальное множество с доминирующим ребром.
Число доминирования независимости iγ ( G ) графа G является максимальным среди всех независимых множеств A из G наименьшего множества, доминирующего над A. [8] Для доминирования подмножеств вершин требуется потенциально меньше вершин, чем для доминирования всех вершин, поэтому iγ ( G ) ≤ γ ( G ) для всех графов G.
Неравенство может быть строгим — существуют графы G , для которых iγ ( G ) < γ ( G ) . Например, для некоторого целого числа n пусть G — граф, вершинами которого являются строки и столбцы доски размером n x n , и две такие вершины соединены тогда и только тогда, когда они пересекаются. Единственными независимыми множествами являются наборы только строк или наборы только столбцов, и в каждом из них может доминировать одна вершина (столбец или строка), поэтому iγ ( G ) = 1 . Однако, чтобы доминировать над всеми вершинами, нам нужна хотя бы одна строка и один столбец, поэтому γ ( G ) = 2 . Более того, отношение между γ ( G )/ iγ ( G ) может быть сколь угодно большим. Например, если все вершины G являются подмножествами квадратов доски размером n x n , то все равно iγ ( G ) = 1 , но γ ( G ) = n . [8]
Двунезависимое число доминирования iγi ( G ) графа G является максимальным среди всех независимых множеств A из G наименьшего независимого множества, доминирующего над A. Для любого графа G выполняются следующие соотношения :
Проблема доминирования изучалась с 1950-х годов, но темпы исследований доминирования значительно возросли в середине 1970-х годов. В 1972 году Ричард Карп доказал , что задача о покрытии множеств NP-полна . Это имело непосредственные последствия для проблемы доминирующего множества, поскольку между двумя задачами существуют простые вершины, которые нужно установить, и ребра, ведущие к биекциям непересекающихся пересечений. Это доказало, что задача о доминирующем множестве также является NP-полной . [9]
Проблема покрытия множеств — хорошо известная NP-трудная задача — решающая версия покрытия множеств была одной из 21 NP-полной задачи Карпа . Существует пара L-редукций за полиномиальное время между проблемой минимального доминирующего множества и проблемой покрытия множества . [10] Эти сокращения (см. ниже) показывают, что эффективный алгоритм для проблемы минимального доминирующего множества обеспечит эффективный алгоритм для проблемы покрытия множества, и наоборот. Более того, сокращения сохраняют коэффициент аппроксимации : для любого α алгоритм α-аппроксимации с полиномиальным временем для минимальных доминирующих наборов обеспечит алгоритм α-аппроксимации с полиномиальным временем для задачи покрытия множества, и наоборот. Обе задачи на самом деле являются Log-APX-полными . [11]
Аппроксимируемость покрытия множеств также хорошо понятна: логарифмический коэффициент аппроксимации можно найти с помощью простого жадного алгоритма , а нахождение сублогарифмического коэффициента аппроксимации NP-трудно. Точнее, жадный алгоритм обеспечивает коэффициент 1 + log| В | аппроксимация минимального доминирующего набора, и ни один алгоритм с полиномиальным временем не может достичь коэффициента аппроксимации лучше, чем c log| В | для некоторого c > 0 , если только P = NP . [12]
Следующие две редукции показывают, что проблема минимального доминирующего множества и проблема покрытия множества эквивалентны относительно L-редукций : учитывая пример одной проблемы, мы можем построить эквивалентный экземпляр другой проблемы. [10]
Учитывая граф G = ( V , E ) с V = {1, 2, ..., n }, постройте экземпляр покрытия множества ( U , S ) следующим образом: вселенная U - это V , а семейство подмножеств - это S = { S 1 , S 2 , ..., S n } такой, что S v состоит из вершины v и всех смежных с v вершин в G .
Теперь, если D является доминирующим множеством для G , то C = { S v : v ∈ D } является допустимым решением проблемы покрытия множества с | С | = | Д | . И наоборот, если C = { S v : v ∈ D } — допустимое решение проблемы покрытия множества, то D — доминирующее множество для G , причем | Д | = | С | .
Следовательно, размер минимального доминирующего множества для G равен размеру покрытия минимального множества для ( U , S ) . Более того, существует простой алгоритм, который отображает доминирующее множество в покрытие множества того же размера и наоборот. В частности, эффективный алгоритм α-аппроксимации для покрытия множеств обеспечивает эффективный алгоритм α-аппроксимации для минимальных доминирующих множеств.
Пусть ( S , U ) — пример задачи покрытия множеств с универсумом U и семейством подмножеств S = { S i : i ∈ I }; мы предполагаем, что U и набор индексов I не пересекаются. Постройте граф G = ( V , E ) следующим образом: множество вершин равно V = I ∪ U , между каждой парой i , j ∈ I существует ребро { i , j } ∈ E , а также существует ребро { я , ты } для каждого я € I и ты € S я . То есть G — расщепленный граф : I — клика , а U — независимое множество .
Теперь, если C = { S i : i ∈ D } — допустимое решение проблемы покрытия множеств для некоторого подмножества D ⊆ I , то D — доминирующее множество для G , причем | Д | = | С | : Во-первых, для каждого u ∈ U существует i ∈ D такой, что u ∈ Si , и по построению u и i смежны в G ; следовательно, над вами доминирует я . Во-вторых, поскольку D должен быть непустым, каждое i ∈ I смежно с вершиной в D .
Обратно, пусть D — доминирующее множество для G . Тогда можно построить другое доминирующее множество X такое, что | Х | ≤ | Д | и X ⊆ I : просто замените каждый u ∈ D ∩ U соседом i ∈ I u . Тогда C = { S i : i ∈ X } является допустимым решением задачи покрытия множества, причем | С | = | Х | ≤ | Д | .
Если граф имеет максимальную степень Δ, то жадный алгоритм аппроксимации находит O (log Δ) -аппроксимацию минимального доминирующего множества. Кроме того, пусть d g — мощность доминирующего множества, полученная с помощью жадной аппроксимации, тогда справедливо следующее соотношение: , где N — количество узлов, а M — количество ребер в данном неориентированном графе. [13] Для фиксированного Δ это квалифицируется как доминирующий набор для членства в APX ; фактически, он APX-полный. [14]
Задача допускает схему аппроксимации полиномиального времени (PTAS) для особых случаев, таких как единичные дисковые графы и плоские графы . [15] Минимальный доминирующий набор можно найти за линейное время в последовательно-параллельных графах . [16]
Минимальный доминирующий набор n -вершинного графа можно найти за время O (2 n n ) , проверив все подмножества вершин. Фомин, Грандони и Крач (2009) показывают, как найти минимальное доминирующее множество во времени O (1,5137 n ) и экспоненциальном пространстве, а также во времени O (1,5264 n ) и полиномиальном пространстве. Более быстрый алгоритм, использующий время O (1,5048 n ), был найден ван Ройем, Недерлофом и ван Дейком (2009), которые также показывают, что за это время можно вычислить количество минимальных доминирующих наборов. Число минимальных доминирующих множеств не превышает 1,7159 n , и все такие множества можно перечислить за время O (1,7159 n ) . [17]
Поиск доминирующего множества размера k играет центральную роль в теории параметризованной сложности. Это наиболее известная задача, полная для класса W[2] , которая используется во многих редукциях, чтобы показать неразрешимость других задач. В частности, проблема неразрешима с фиксированными параметрами в том смысле, что не существует алгоритма с временем выполнения f ( k ) n O(1) для любой функции f , если W-иерархия не схлопывается до FPT=W[2].
С другой стороны, если входной граф является плоским, задача остается NP-сложной, но алгоритм с фиксированными параметрами известен. Фактически, задача имеет ядро линейного размера по k [18] , а время выполнения, экспоненциальное по √ k и кубическое по n , может быть получено путем применения динамического программирования к ветвящемуся разложению ядра. [19] В более общем смысле, проблема доминирующего набора и многие варианты проблемы решаются с фиксированным параметром, если они параметризованы как размером доминирующего набора, так и размером наименьшего запрещенного полного двудольного подграфа ; то есть проблема заключается в FPT на графах без биклик , очень общем классе разреженных графов, включающем планарные графы. [20]
Дополнительный набор к доминирующему набору, неблокирующий , может быть найден с помощью алгоритма с фиксированными параметрами на любом графе. [21]
{{citation}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ).