stringtranslate.com

Двудольный граф

Пример двудольного графа без циклов
Полный двудольный граф с m = 5 и n = 3
Граф Хивуда двудольный.

В математической области теории графов двудольный граф (или биграф ) — это граф , вершины которого можно разделить на два непересекающихся и независимых множества и , то есть каждое ребро соединяет вершину в с одной в . Множество вершин обычно называют частями графа. Эквивалентно, двудольный граф — это граф, который не содержит циклов нечетной длины . [1] [2]

Эти два набора можно рассматривать как раскраску графа в два цвета: если раскрасить все узлы в синий цвет, а все узлы в красный, каждое ребро будет иметь конечные точки разных цветов, как это требуется в задаче раскраски графа. [3] [4] Напротив, такая раскраска невозможна в случае недвудольного графа, такого как треугольник : после того, как один узел окрашен в синий цвет, а другой в красный, третья вершина треугольника соединяется с вершинами оба цвета, что предотвращает присвоение ему любого цвета.

Часто пишут для обозначения двудольного графа, разбиение которого состоит из частей и , с обозначением ребер графа. Если двудольный граф несвязен , он может иметь более одного двудольного графа; [5] в этом случае обозначение полезно для указания одного конкретного бираздела, который может иметь значение в приложении. Если , то есть если два подмножества имеют одинаковую мощность , то граф называется сбалансированным двудольным. [3] Если все вершины на одной стороне двудольного деления имеют одинаковую степень , то оно называется бирегулярным .

Примеры

При моделировании отношений между двумя разными классами объектов очень часто естественным образом возникают двудольные графы. Например, граф футболистов и клубов с перевесом между игроком и клубом, если игрок играл за этот клуб, является естественным примером сети филиалов , типа двудольного графа, используемого в анализе социальных сетей . [6]

Другой пример естественного появления двудольных графов — это ( NP-полная ) задача оптимизации железных дорог, в которой входными данными является расписание поездов и их остановок, а цель — найти как можно меньший набор железнодорожных станций, чтобы каждый поезд посещает хотя бы одну из выбранных станций. Эту проблему можно смоделировать как проблему доминирующего множества в двудольном графе, который имеет вершину для каждого поезда и каждой станции и ребро для каждой пары станций и поезда, который останавливается на этой станции. [7]

Третий пример относится к академической области нумизматики. Древние монеты изготавливаются с использованием двух положительных оттисков дизайна (аверса и реверса). Диаграммы, которые нумизматы создают для представления производства монет, представляют собой двудольные графики. [8]

Более абстрактные примеры включают следующее:

Характеристики

Характеристика

Двудольные графы можно охарактеризовать несколькими различными способами:

Теорема Кенига и совершенные графы

В двудольных графах размер минимального покрытия вершин равен размеру максимального паросочетания ; это теорема Кенига . [18] [19] Альтернативная и эквивалентная форма этой теоремы состоит в том, что размер максимального независимого набора плюс размер максимального соответствия равен числу вершин. В любом графе без изолированных вершин размер минимального покрытия ребер плюс размер максимального паросочетания равны числу вершин. [20] Объединение этого равенства с теоремой Кенига приводит к тому, что в двудольных графах размер минимального реберного покрытия равен размеру максимального независимого множества, а размер минимального реберного покрытия плюс размер минимальное вершинное покрытие равно числу вершин.

Другой класс связанных результатов касается идеальных графов : каждый двудольный граф, дополнение каждого двудольного графа, линейный граф каждого двудольного графа и дополнение линейного графа каждого двудольного графа совершенны. Совершенство двудольных графов легко увидеть (их хроматическое число равно двум, а максимальный размер клики также равен двум), но совершенство дополнений двудольных графов менее тривиально и является еще одним повторением теоремы Кёнига. Это был один из результатов, который мотивировал первоначальное определение идеальных графов. [21] Совершенство дополнений к линейным графам совершенных графов — это еще одно повторение теоремы Кенига, а совершенство самих линейных графов — это повторение более ранней теоремы Кенига о том, что каждый двудольный граф имеет раскраску ребер с использованием ряда цвета, равные его максимальной степени.

Согласно сильной теореме о совершенном графе , совершенные графы имеют запрещенную характеристику графа, аналогичную характеристике двудольных графов: граф является двудольным тогда и только тогда, когда он не имеет нечетного цикла в качестве подграфа, и граф совершенен тогда и только тогда, когда он имеет нет нечетного цикла или его дополнения как индуцированного подграфа . Двудольные графы, линейные графы двудольных графов и их дополнения образуют четыре из пяти основных классов совершенных графов, используемых при доказательстве сильной теоремы о совершенных графах. [22]

Степень

Для вершины количество соседних вершин называется степенью вершины и обозначается . Формула суммы степеней для двудольного графа утверждает, что [23]

Последовательность степеней двудольного графа представляет собой пару списков, каждый из которых содержит степени двух частей и . Например, полный двудольный граф K 3,5 имеет последовательность степеней . Изоморфные двудольные графы имеют одинаковую последовательность степеней. Однако последовательность степеней, как правило, не идентифицирует однозначно двудольный граф; в некоторых случаях неизоморфные двудольные графы могут иметь одинаковую последовательность степеней.

Проблема двудольной реализации — это проблема поиска простого двудольного графа, последовательность степеней которого представляет собой два заданных списка натуральных чисел. (Конечные нули можно игнорировать, поскольку они тривиально реализуются путем добавления соответствующего количества изолированных вершин к орграфу.)

Связь с гиперграфами и ориентированными графами

Матрица двусмежности двудольного графа представляет собой матрицу размера (0,1) , имеющая единицу для каждой пары соседних вершин и ноль для несмежных вершин. [24] Матрицы бисмежности могут использоваться для описания эквивалентности между двудольными графами, гиперграфами и ориентированными графами.

Гиперграф — это комбинаторная структура, которая, как и неориентированный граф, имеет вершины и ребра, но в которой ребра могут представлять собой произвольные наборы вершин, а не иметь ровно две конечные точки. Двудольный граф можно использовать для моделирования гиперграфа, в котором U — множество вершин гиперграфа, V — множество гиперребер, а E содержит ребро от вершины гиперграфа v до ребра гиперграфа e точно тогда, когда v является одним из конечные точки e . При этом соответствии матрицы двудольных графов являются в точности матрицами инцидентности соответствующих гиперграфов. Как частный случай этого соответствия между двудольными графами и гиперграфами, любой мультиграф (граф, в котором между одними и теми же двумя вершинами может быть два или более ребер) может интерпретироваться как гиперграф, в котором некоторые гиперребра имеют равные наборы конечных точек, и представлен двудольным графом, не имеющим кратных смежностей и в котором все вершины на одной стороне двудольного графа имеют степень два. [25]

Подобная реинтерпретация матриц смежности может быть использована, чтобы показать взаимно однозначное соответствие между ориентированными графами (на заданном количестве помеченных вершин, допускающих самоциклы) и сбалансированными двудольными графами с одинаковым количеством вершин по обе стороны от двуразделение. Ибо матрицей смежности ориентированного графа с n вершинами может быть любая (0,1) матрица размера , которую затем можно переинтерпретировать как матрицу смежности двудольного графа с n вершинами на каждой стороне его двудольного разбиения. [26] В этой конструкции двудольный граф представляет собой двудольное двойное покрытие ориентированного графа.

Алгоритмы

Тестирование двусторонности

Можно проверить, является ли граф двудольным, и вернуть либо двухцветный цикл (если он двудольный), либо нечетный цикл (если это не так) за линейное время , используя поиск в глубину . Основная идея состоит в том, чтобы присвоить каждой вершине цвет, который отличается от цвета ее родителя в лесу поиска в глубину, назначая цвета при предварительном обходе леса поиска в глубину. Это обязательно обеспечит двухцветную раскраску охватывающего леса, состоящего из ребер, соединяющих вершины с их родителями, но может неправильно раскрасить некоторые из ребер, не являющихся лесом. В лесу поиска в глубину одна из двух конечных точек каждого нелесного ребра является предком другой конечной точки, и когда поиск в глубину обнаруживает ребро этого типа, он должен проверить, что эти две вершины имеют разные цвета. Если это не так, то путь в лесу от предка к потомку вместе с обесцвеченным ребром образуют нечетный цикл, который возвращается из алгоритма вместе с результатом, что граф не является двудольным. Однако если алгоритм завершается, не обнаружив нечетного цикла этого типа, то каждое ребро должно быть правильно раскрашено, и алгоритм возвращает раскраску вместе с результатом, что граф является двудольным. [27]

Альтернативно, аналогичная процедура может использоваться с поиском в ширину вместо поиска в глубину. Опять же, каждому узлу присваивается цвет, противоположный цвету его родителя в лесу поиска, в порядке ширины. Если при окраске вершины существует ребро, соединяющее ее с ранее окрашенной вершиной того же цвета, то это ребро вместе с путями в лесу поиска в ширину, соединяющими две его конечные точки с их наименьшим общим предком , образует странный цикл. Если алгоритм завершается, не обнаружив таким образом нечетного цикла, то он, должно быть, нашел правильную раскраску и может с уверенностью заключить, что граф двудольный. [28]

Для графов пересечений отрезков прямых или других простых фигур на евклидовой плоскости можно проверить, является ли граф двудольным, и вернуть либо двухраскраску, либо нечетный цикл во времени , даже если сам граф может иметь до ребер . [29]

Трансверсализация нечетного цикла

Граф с нечетной трансверсалью цикла размером 2: удаление двух синих нижних вершин оставляет двудольный граф.

Трансверсализация нечетного цикла — это NP-полная алгоритмическая задача, которая спрашивает для данного графа G = ( V , E ) и числа k , существует ли набор из  k вершин, удаление которых из G приведет к тому, что результирующий граф станет двудольным. [30] Проблема решается с фиксированными параметрами , что означает, что существует алгоритм, время работы которого может быть ограничено полиномиальной функцией размера графа, умноженной на большую функцию от k . [31] Название трансверсальная нечетного цикла происходит от того факта, что граф является двудольным тогда и только тогда, когда он не имеет нечетных циклов . Следовательно, чтобы удалить вершины из графа и получить двудольный граф, нужно «попасть во все нечетные циклы» или найти так называемое трансверсальное множество нечетных циклов. На иллюстрации каждый нечетный цикл в графе содержит синие (самые нижние) вершины, поэтому удаление этих вершин уничтожает все нечетные циклы и оставляет двудольный граф.

Проблема раздвоения ребер — это алгоритмическая проблема удаления как можно меньшего количества ребер, чтобы сделать граф двудольным, а также важная проблема в алгоритмике модификации графов. Эта проблема также решается с фиксированными параметрами и может быть решена за время , [32] где k — количество удаляемых ребер, а m — количество ребер во входном графе.

Соответствие

Паросочетание в графе — это подмножество его ребер, никакие два из которых не имеют общей конечной точки . Алгоритмы с полиномиальным временем известны для решения многих алгоритмических задач о сопоставлениях, включая максимальное сопоставление (поиск сопоставления, которое использует как можно больше ребер), сопоставление с максимальным весом и стабильный брак . [33] Во многих случаях задачи сопоставления проще решать на двудольных графах, чем на недвудольных графах, [34] и многие алгоритмы сопоставления, такие как алгоритм Хопкрофта-Карпа для сопоставления максимальной мощности [35], работают правильно только на двудольных входных данных. .

В качестве простого примера предположим, что группа людей ищет работу из набора должностей, причем не все люди подходят для всех должностей. Эту ситуацию можно смоделировать как двудольный граф , ребро которого соединяет каждого соискателя с каждой подходящей работой. [36] Идеальное соответствие описывает способ одновременного удовлетворения всех соискателей и заполнения всех вакансий; Теорема Холла о браке дает характеристику двудольных графов, допускающих идеальные паросочетания. Национальная программа подбора резидентов применяет методы сопоставления графов для решения этой проблемы для американских студентов-медиков , ищущих работу, и для работы в больницах . [37]

Разложение Далмаджа – Мендельсона — это структурное разложение двудольных графов, которое полезно для поиска максимальных паросочетаний. [38]

Дополнительные приложения

Двудольные графы широко используются в современной теории кодирования , особенно для декодирования кодовых слов , полученных из канала. Факторные графы и графы Таннера являются примерами этого. Граф Таннера — это двудольный граф, в котором вершины на одной стороне двудольного деления представляют собой цифры кодового слова, а вершины на другой стороне представляют собой комбинации цифр, сумма которых, как ожидается, без ошибок будет равна нулю в кодовом слове. [39] Факторный граф — это тесно связанная сеть доверия , используемая для вероятностного декодирования LDPC и турбокодов . [40]

В информатике сеть Петри — это инструмент математического моделирования, используемый при анализе и моделировании параллельных систем. Система моделируется как двудольный ориентированный граф с двумя наборами узлов: набором узлов «места», которые содержат ресурсы, и набором узлов «событий», которые генерируют и/или потребляют ресурсы. Существуют дополнительные ограничения на узлы и ребра, ограничивающие поведение системы. Сети Петри используют свойства двудольных ориентированных графов и другие свойства, позволяющие математически доказывать поведение систем, а также позволяют легко реализовать моделирование системы. [41]

В проективной геометрии графы Леви представляют собой форму двудольного графа, используемого для моделирования взаимодействий между точками и линиями в конфигурации . В соответствии с геометрическим свойством точек и линий, согласно которому каждые две прямые пересекаются не более чем в одной точке и каждые две точки соединяются одной прямой, графы Леви обязательно не содержат циклов длины четыре, поэтому их обхват должен быть шесть или более. . [42]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дистель, Рейнард (2005), Теория графов, Тексты для выпускников по математике , Springer, ISBN 978-3-642-14278-9, заархивировано из оригинала 9 апреля 2011 г. , получено 27 февраля 2012 г.
  2. ^ Асратян, Армен С.; Денли, Тристан MJ; Хэггквист, Роланд (1998), Двудольные графы и их приложения , Кембриджские трактаты по математике, том. 131, Издательство Кембриджского университета, ISBN 9780521593458.
  3. ^ abc Asratian, Denley & Häggkvist (1998), стр. 7.
  4. ^ abc Шайнерман, Эдвард Р. (2012), Математика: дискретное введение (3-е изд.), Cengage Learning, стр. 363, ISBN 9780840049421.
  5. ^ Чартран, Гэри ; Чжан, Пин (2008), Теория хроматических графов, Дискретная математика и ее приложения, том. 53, CRC Press, с. 223, ISBN 9781584888000.
  6. ^ Вассерман, Стэнли ; Фауст, Кэтрин (1994), Анализ социальных сетей: методы и приложения, Структурный анализ в социальных науках, том. 8, Издательство Кембриджского университета, стр. 299–302, ISBN. 9780521387071.
  7. ^ Нидермайер, Рольф (2006), Приглашение к алгоритмам с фиксированными параметрами , Оксфордская серия лекций по математике и ее приложениям, Oxford University Press, стр. 20–21, ISBN 978-0-19-856607-6
  8. ^ Брейси, Роберт (2012), «О графической интерпретации монет Ирода третьего года», Джейкобсон, Дэвид М.; Коккинос, Никос (ред.), Иудея и Рим в монетах 65 г. до н. э. – 135 г. н. э.: доклады, представленные на международной конференции, организованной Спинком, 13–14 сентября 2010 г. , Spink & Son , стр. 65–84.
  9. ^ Сойфер, Александр (2008), Математическая книжка-раскраска , Springer-Verlag, стр. 136–137, ISBN 978-0-387-74640-1. Этот результат иногда называют «теоремой двух цветов»; Сойфер приписывает это знаменитой статье Альфреда Кемпе 1879 года , содержащей ложное доказательство теоремы о четырех цветах .
  10. ^ Бандельт, H.-J.; Чепой, В.; Эппштейн, Д. (2010), «Комбинаторика и геометрия конечных и бесконечных квадратов», SIAM Journal on Discrete Mathematics , 24 (4): 1399–1440, arXiv : 0905.4537 , doi : 10.1137/090760301, S2CID  10788524.
  11. ^ Асратян, Денли и Хэггквист (1998), с. 11.
  12. ^ Архидиакон, Д .; Дебовский, М.; Диниц, Дж .; Гавлас, Х. (2004), «Системы циклов в полном двудольном графе минус однофакторный», Discrete Mathematics , 284 (1–3): 37–43, doi :10.1016/j.disc.2003.11.021.
  13. ^ Овчинников, Сергей (2011), Графы и кубы , Universitext, Springer. См. особенно главу 5, «Частичные кубы», стр. 127–181.
  14. ^ Асратян, Денли и Хэггквист (1998), теорема 2.1.3, с. 8. Асратян и др. приписывают эту характеристику статье Денеша Кёнига 1916 года . Для бесконечных графов этот результат требует аксиомы выбора .
  15. ^ Банг-Йенсен, Йорген; Гутин, Грегори (2001), Орграфы: теория, алгоритмы и приложения (PDF) (1-е изд.), Стр. 25, ISBN 9781852332686, заархивировано (PDF) из оригинала 02 января 2023 г. , получено 2 января 2023 г.
  16. ^ Вудалл, Д.Р. (1990), «Доказательство эйлеровой двудольной характеристики Макки», Discrete Mathematics , 84 (2): 217–220, doi : 10.1016/0012-365X(90)90380-Z, MR  1071664
  17. ^ Биггс, Норман (1994), Алгебраическая теория графов, Кембриджская математическая библиотека (2-е изд.), Cambridge University Press, стр. 53, ISBN 9780521458979.
  18. ^ Кениг, Денес (1931), «Gráfok és mátrixok», Matematikai és Fizikai Lapok , 38 : 116–119.
  19. ^ Гросс, Джонатан Л.; Йеллен, Джей (2005), Теория графов и ее приложения, Дискретная математика и ее приложения (2-е изд.), CRC Press, стр. 568, ISBN 9781584885054.
  20. ^ Чартран, Гэри ; Чжан, Пин (2012), Первый курс теории графов, Courier Dover Publications, стр. 189–190, ISBN 9780486483689.
  21. ^ Бела Боллобас (1998), Современная теория графов, Тексты для выпускников по математике, том. 184, Спрингер, с. 165, ИСБН 9780387984889.
  22. ^ Чудновский, Мария ; Робертсон, Нил ; Сеймур, Пол ; Томас, Робин (2006), «Сильная теорема о совершенном графе», Annals of Mathematics , 164 (1): 51–229, arXiv : math/0212070 , CiteSeerX 10.1.1.111.7265 , doi :10.4007/annals.2006.164.51 , S2CID  119151552 .
  23. ^ Ловас, Ласло (2014), Комбинаторные задачи и упражнения (2-е изд.), Elsevier, стр. 2014. 281, ISBN 9780080933092
  24. ^ Асратян, Денли и Хэггквист (1998), с. 17.
  25. ^ А. А. Сапоженко (2001) [1994], «Гиперграф», Энциклопедия математики , EMS Press
  26. ^ Бруальди, Ричард А.; Харари, Фрэнк ; Миллер, Зеви (1980), «Биграфы против орграфов через матрицы», Журнал теории графов , 4 (1): 51–73, doi : 10.1002/jgt.3190040107, MR  0558453. Бруальди и др. приписывают идею этой эквивалентности Дулмейджу, Ал.; Мендельсон, Н.С. (1958), «Покрытия двудольных графов», Canadian Journal of Mathematics , 10 : 517–534, doi : 10.4153/CJM-1958-052-0 , MR  0097069, S2CID  123363425.
  27. ^ Седжвик, Роберт (2004), Алгоритмы на Java, Часть 5: Алгоритмы графов (3-е изд.), Аддисон Уэсли, стр. 109–111.
  28. ^ Кляйнберг, Джон ; Тардос, Ева (2006), Разработка алгоритмов , Аддисон Уэсли, стр. 94–97..
  29. ^ Эппштейн, Дэвид (2009), «Проверка двудольности графов геометрических пересечений», Транзакции ACM в алгоритмах , 5 (2): Ст. 15, arXiv : cs.CG/0307023 , doi : 10.1145/1497290.1497291, MR  2561751, S2CID  60496.
  30. ^ Яннакакис, Михалис (1978), «NP-полные проблемы с удалением узлов и ребер», Труды 10-го симпозиума ACM по теории вычислений (STOC '78) , стр. 253–264, doi : 10.1145/800133.804355 , S2CID  363248
  31. ^ Рид, Брюс ; Смит, Кейли; Ветта, Адриан (2004), «Нахождение трансверсалей нечетного цикла», Operations Research Letters , 32 (4): 299–301, CiteSeerX 10.1.1.112.6357 , doi :10.1016/j.orl.2003.10.009, MR  2057781 .
  32. ^ Го, Цзюн; Грамм, Йенс; Хюффнер, Фальк; Нидермайер, Рольф; Вернике, Себастьян (2006), «Алгоритмы с фиксированными параметрами на основе сжатия для набора вершин обратной связи и разделения ребер», Journal of Computer and System Sciences , 72 (8): 1386–1396, doi : 10.1016/j.jcss.2006.02. 001
  33. ^ Ахуджа, Равиндра К.; Маньянти, Томас Л.; Орлин, Джеймс Б. (1993), «12. Присвоения и сопоставления», Сетевые потоки: теория, алгоритмы и приложения , Прентис Холл, стр. 461–509..
  34. ^ Ахуджа, Маньянти и Орлин (1993), с. 463: «Проблемы недвустороннего сопоставления труднее решить, поскольку они не сводятся к стандартным задачам сетевого потока».
  35. ^ Хопкрофт, Джон Э .; Карп, Ричард М. (1973), « Алгоритм n 5/2 для максимального сопоставления в двудольных графах», SIAM Journal on Computing , 2 (4): 225–231, doi : 10.1137/0202019.
  36. ^ Ахуджа, Маньянти и Орлин (1993), Приложение 12.1 Двустороннее назначение персонала, стр. 463–464.
  37. ^ Робинсон, Сара (апрель 2003 г.), «Встречают ли студенты-медики свою (лучшую возможную) пару?» (PDF) , SIAM News (3): 36, заархивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2016 г. , получено 27 августа 2012 г..
  38. ^ Дулмейдж и Мендельсон (1958).
  39. ^ Мун, Тодд К. (2005), Кодирование с коррекцией ошибок: математические методы и алгоритмы, John Wiley & Sons, стр. 638, ISBN 9780471648000.
  40. ^ Луна (2005), с. 686.
  41. ^ Кассандра, Христос Г.; Лафортюн, Стефан (2007), Введение в системы дискретных событий (2-е изд.), Springer, стр. 224, ISBN 9780387333328.
  42. ^ Грюнбаум, Бранко (2009), Конфигурации точек и линий, Аспирантура по математике , том. 103, Американское математическое общество , с. 28, ISBN 9780821843086.

Внешние ссылки