Үстемдік жиынтығы - Dominating set

Үстем жиындар (қызыл шыңдар).

Жылы графтар теориясы, а басым жиынтық үшін график G = (VE) Бұл ішкі жиын Д. туралы V әрбір шыңы кірмейтін етіп Д. мүшесінің кем дегенде бір мүшесіне іргелес Д.. The үстемдік саны γ (G) - бұл ең кіші доминаттағы шыңдар саныG.

The басым мәселе whether (G) ≤ Қ берілген график үшін G және енгізу Қ; бұл классикалық NP аяқталды шешім мәселесі жылы есептеу күрделілігі теориясы.[1] Сондықтан жоқ болуы мүмкін деп есептеледі тиімді алгоритм ол барлық графиктер үшін ең кіші доминантты табады, дегенмен тиімді жуықтау алгоритмдері, сонымен қатар белгілі бір график кластары үшін тиімді және дәл алгоритмдер бар.

Оң жақтағы (а) - (с) суреттерде графикке арналған жиынтықтардың үш мысалы келтірілген. Әр мысалда әр ақ шың кем дегенде бір қызыл шыңға іргелес және ақ шың деп айтылады басым болды қызыл шыңмен. Бұл графиктің үстемдік саны 2-ге тең: (b) және (c) мысалдары 2 төбесі бар үстемдік жиынтығы бар екенін және осы график үшін тек 1 шыңы бар үстемдік жиынтығы жоқ екенін тексеруге болады.

Тарих

Үстемдік проблемасы 1950 жылдардан бастап зерттелді, бірақ үстемдікке зерттеу қарқыны 1970 жылдардың ортасында едәуір өсті. 1972 жылы, Ричард Карп дәлелдеді қақпақ ақаулығы орнатылды болу NP аяқталды. Бұл үстемдік жиынтығы мәселесіне бірден әсер етті, өйткені екі есептің арасында қиылыспайтын қиылыстарды қоюға және жиектеуге тура шың бар. Бұл басым мәселе болатынын дәлелдеді NP аяқталды сонымен қатар.[2]

Үстем жиынтықтар бірнеше бағытта практикалық қызығушылық тудырады. Жылы сымсыз желі, үстеме жиынтықтар уақытша мобильді желілерде тиімді маршруттарды табу үшін қолданылады. Олар сондай-ақ құжаттарды қорытындылауда және электр желілері үшін қауіпсіз жүйелерді жобалауда қолданылған.

Үстем және тәуелсіз жиынтықтар

Үстем жиынтықтар тығыз байланысты тәуелсіз жиынтықтар: тәуелсіз жиын, сонымен қатар, егер ол а болған жағдайда ғана үстемдік жиынтығы болып табылады максималды тәуелсіз жиынтық, сондықтан графиктегі кез-келген максималды тәуелсіз жиын минималды үстемдік жиынтығы болып табылады.

Үстемдік арқылы тәуелсіз жиынтықтар

Үстемдік жиынтығы тәуелсіз жиынтық болуы да, болмауы да мүмкін. Мысалы, жоғарыдағы (а) және (б) сандар тәуелсіз доминдік жиынтықтарды көрсетеді, ал (в) сурет тәуелсіз жиын емес доминантты жиынтықты бейнелейді.

The тәуелсіз үстемдік саны мен(G) графиктің G бұл тәуелсіз жиынтық болатын ең кіші доминанттың жиынтығы. Эквивалентті түрде, бұл ең кіші максималды тәуелсіз жиынтықтың өлшемі. Минимум мен(G) аз элементтерге қабылданады (тек тәуелсіз жиындар қарастырылады), сондықтан γ (G) ≤ мен(G) барлық графиктер үшін G.

Теңсіздік қатаң болуы мүмкін - графиктер бар G ол үшін γ (G) < мен(G). Мысалы, рұқсат етіңіз G болуы қос жұлдызды график шыңдардан тұрады х1, ..., хб, а, б, ж1, ..., жq, қайда б, q > 1. шеттері G келесідей анықталады: әрқайсысы хмен іргелес а, а іргелес б, және б әрқайсысына іргелес бj. Содан кейін γ (G) = 2 жылдан бастапа, б} - бұл ең кіші басым жиынтық. Егер б ≤ q, содан кейін мен(G) = б + 1 бастап {х1, ..., хб, b} - бұл ең кіші доминант, сонымен қатар ол тәуелсіз (бұл ең кіші максималды тәуелсіз жиын).

Graph (G) = мен(G), яғни әрбір минималды максималды тәуелсіз жиынтық минималды домин болып табылады. Мысалы, γ (G) = мен(G) егер G Бұл тырнақсыз граф.[3]

График G а деп аталады үстемдік-тамаша график егер γ (H) = мен(H) әрқайсысында индукцияланған субография H туралы G. Тырнақсыз графтың индукцияланған подографиясы тырнақсыз болғандықтан, кез-келген тырнақсыз графиктер үстемдікке өте жақсы келеді.[4]

Кез-келген график үшін G, оның сызықтық график L(G) тырнақсыз, демек минималды максималды тәуелсіз жиынтық L(G) сонымен қатар минималды үстемдік жиынтығы болып табылады L(G). Тәуелсіз жиынтық L(G) сәйкес келеді сәйкестендіру жылы G, және үстемдік жиынтығы L(G) сәйкес келеді жиек үстем жиынтығы жылы G. Сондықтан а минималды максималды сәйкестік минималды жиек үстемдік жиынтығымен бірдей мөлшерге ие.

Үстемдік туралы тәуелсіз жиынтықтар

The тәуелсіздік үстемдік саны мен(G) графиктің G барлық тәуелсіз жиындар бойынша максимум болып табылады A туралы G, үстемдік ететін ең кіші жиынтықтың A.[5] Төменгі топтардың үстемдік етуі барлық шыңдардан гөрі аз шыңдарды қажет етеді, сондықтан iγ (G) ≤ γ(G) барлық графиктер үшін G.

Теңсіздік қатаң болуы мүмкін - графиктер бар G ол үшін γ (G) < γ(G). Мысалы, кейбір бүтін сан үшін n, рұқсат етіңіз G шыңдары an жолдары мен бағандары болатын график бол n-n тақта, және осындай екі шың тек қиылысқан жағдайда ғана жалғасады. Жалғыз тәуелсіз жиындар тек жолдар жиынтығы немесе тек баған жиынтығы болып табылады және олардың әрқайсысында жалғыз шың (баған немесе жол) үстемдік етуі мүмкін, сондықтан мен(G) = 1. Алайда, барлық шыңдарда үстемдік ету үшін бізге кем дегенде бір жол мен бір баған қажет, сондықтан γ(G) = 2. Сонымен, арасындағы қатынас γ(G) / мен(G) ерікті түрде үлкен болуы мүмкін. Мысалы, егер G барлық квадраттардың жиынтықтары n-n тақта, содан кейін де мен(G) = 1, бірақ γ(G)=n.[5]

The екі тәуелді емес үстемдік саны iγi(G) графиктің G барлық тәуелсіз жиындар бойынша максимум болып табылады A туралы G, үстемдік ететін ең кіші тәуелсіз жиынтық A. Кез-келген график үшін келесі қатынастар болады G:

Алгоритмдер және есептеу күрделілігі

Жинақтың мұқабасы белгілі NP-hard проблема - жиынтықтың шешім нұсқасы бірі болды Карптың 21 NP толық есептері. Көпмүшелік-уақыт жұбы бар L-редукциялар минималды үстеме жиынтық проблемасы мен қақпақ ақаулығы орнатылды.[6] Бұл төмендетулер (төменде қараңыз ) минималды үстемдік жиынтығының тиімді алгоритмі берілген мұқабаның тиімді алгоритмін ұсынатындығын және керісінше екенін көрсетіңіз. Сонымен қатар, қысқартулар сақтайды жуықтау коэффициенті: кез келген α үшін минималды үстемдік жиындар үшін полиномдық уақыттағы α-жуықтау алгоритмі жиынтықтың жабылу есебі үшін полиномдық уақытты α-жуықтау алгоритмін қамтамасыз етер еді және керісінше. Екі мәселе де шын мәнінде Журнал-APX аяқталды.[7]

Жиынтық жабудың жақындығын да жақсы түсінеді: логарифмдік жуықтау коэффициентін a көмегімен табуға болады қарапайым ашкөздік алгоритмі, және сублогарифмдік жуықтау коэффициентін табу NP-қиын. Нақтырақ айтсақ, ашкөз алгоритм 1 + log | факторын ұсынадыV| минималды үстемдік жиынының жуықтауы және ешқандай полиномдық уақыт алгоритмі жуықтау коэффициентіне қарағанда жете алмайды в журнал |V| кейбіреулер үшін в > 0 болмаса P = NP.[8]

L-редукциялар

Келесі екі төмендету минималды үстемдік жиынтығының проблемасы және қақпақ ақаулығы орнатылды астында эквивалентті L-редукциялар: бір есептің данасын ескере отырып, біз басқа есептің эквивалентті данасын құра аламыз.[6]

Басымдық жиынтықтан жиынтыққа дейін.График берілген G = (VE) бірге V = {1, 2, ..., n}, орнатылған мұқаба данасын құру (US) келесідей: ғалам U болып табылады Vжәне ішкі жиындар отбасы болып табылады S = {S1, S2, ..., Sn} осылай Sv шыңнан тұрады v және оған жақын барлық төбелер v жылы G.

Енді егер Д. үшін басым жиынтық болып табылады G, содан кейін C = {Sv : v ∈ Д.} - бұл жиынтық мұқабасының мүмкін шешімі, |C| = |Д.|. Керісінше, егер C = {Sv : v ∈ Д.} - бұл мұқабаның қойылған мәселесін шешуге болатын шешім Д. үшін басым жиынтық болып табылады G, |Д.| = |C|.

Демек, минималды үстемдік жиынтығының мөлшері G минималды жиынтықтың өлшеміне тең (US). Сонымен қатар, үстемдік жиынтығын бірдей көлемдегі жиынтық мұқабасына және керісінше бейнелейтін қарапайым алгоритм бар. Атап айтқанда, жиынтықты жабудың тиімді α-жуықтау алгоритмі минималды үстеме жиындар үшін тиімді α-жуықтау алгоритмін ұсынады.

Dominating-set-2.svg
Мысалы, график берілген G оң жағында көрсетілген, біз ғаламмен бірге жиынтықтың данасын құрамыз U = {1, 2, ..., 6} және ішкі жиындар S1 = {1, 2, 5}, S2 = {1, 2, 3, 5}, S3 = {2, 3, 4, 6}, S4 = {3, 4}, S5 = {1, 2, 5, 6} және S6 = {3, 5, 6}. Бұл мысалда, Д. = {3, 5} - бұл үшін басым жиын G - бұл орнатылған мұқабаға сәйкес келеді C = {S3S5}. Мысалы, 4 te шыңыV 3 te шыңы басымД., және элемент 4U жиынтықта бар S3 ∈ C.

Жиынтық жамылудан үстем жиынтыққа дейін.Келіңіздер (SU) ғаламға қатысты проблеманың жиынтығы болуы мүмкін U және ішкі топтар отбасы S = {Sмен : мен ∈ Мен}; біз солай деп болжаймыз U және индекс жиынтығы Мен бөлінген. График құрастырыңыз G = (VE) келесідей: шыңдар жиынтығы V = Мен ∪ U, шеті бар {менj} ∈ E әр жұптың арасында менj ∈ Мен, сонымен қатар {менсен} әрқайсысы үшін мен ∈ Мен және сен ∈ Sмен. Бұл, G Бұл бөлінген график: Мен Бұл клика және U болып табылады тәуелсіз жиынтық.

Енді егер C = {Sмен : мен ∈ Д.} - бұл кейбір ішкі жиын үшін берілген мұқаба мәселесінің шешімді шешімі Д. ⊆ Мен, содан кейін Д. үшін басым жиынтық болып табылады G, |Д.| = |C|: Біріншіден, әрқайсысы үшін сен ∈ U бар мен ∈ Д. осындай сен ∈ Sмен, және құрылыс бойынша, сен және мен ішінде орналасқан G; демек сен басым мен. Екіншіден, бері Д. әрқайсысы бос болмауы керек мен ∈ Мен in шыңына іргелес Д..

Керісінше, рұқсат етіңіз Д. үшін басым жиынтық болуы G. Осыдан кейін тағы бір үстем жиын құруға болады X осылай |X| ≤ |Д.| және X ⊆ Мен: жай әрқайсысын ауыстырыңыз сен ∈ Д. ∩ U көршінің мен ∈ Мен туралы сен. Содан кейін C = {Sмен : мен ∈ X} - бұл жиынтық мұқабасының мүмкін шешімі, |C| = |X| ≤ |Д.|.

Dominating-set-reduc.svg
Оң жақтағы суретте конструкция көрсетілген U = {абвг.e}, Мен = {1, 2, 3, 4}, S1 = {абв}, S2 = {аб}, S3 = {бвг.}, және S4 = {вг.e}.
Бұл мысалда, C = {S1S4} - орнатылған мұқаба; бұл басым жиынтыққа сәйкес келеді Д. = {1, 4}.
Д. = {а, 3, 4} - графикке арналған тағы бір үстем жиын G. Берілген Д., біз үстем жиын құра аламыз X = {1, 3, 4}, ол үлкен емес Д. және қайсысы Мен. Үстемдік жиынтығы X орнатылған мұқабаға сәйкес келеді C = {S1S3S4}.

Ерекше жағдайлар

Егер графиктің максималды дәрежесі Δ болса, онда ашкөздік жуықтау алгоритмі an табады O(журнал Δ) - минималды үстемдік жиынының жақындауы. Сонымен қатар, рұқсат етіңіз г.ж ашкөздік жуықтамасын қолдану арқылы алынған үстемдік жиынтығының маңыздылығы, содан кейін қатынас орнайды; , қайда N түйіндердің саны және М берілген бағытталмаған графтағы шеттер саны.[9] Fixed тіркелгені үшін бұл үшін үстемдік жиынтығы қажет APX мүшелік; іс жүзінде ол APX-аяқталған.[10]

Мәселе а көпмүшелік-уақытқа жуықтау схемасы (PTAS) сияқты ерекше жағдайларға арналған дискідегі графикалық бірліктер және жазықтық графиктер.[11] Минималды доминді сызықтық уақытта табуға болады қатарлы параллель графиктер.[12]

Нақты алгоритмдер

Минималды үстемдік жиынтығы n-vertex графигін уақытында табуға болады O(2nn) барлық шың ішкі жиынтықтарын тексеру арқылы. Фомин, Грандони және Кратч (2009) уақытында минималды үстемдік жиынтығын қалай табуға болатындығын көрсетіңіз O(1.5137n) және уақыт бойынша экспоненциалды кеңістік O(1.5264n) және полиномдық кеңістік. Жылдамырақ алгоритм O(1.5048n) уақыт табылды ван Ройх, Недерлоф және ван Дайк (2009), олар сонымен қатар минималды доминдер санын осы уақытта есептеуге болатындығын көрсетеді. Минималды доминдердің саны ең көп дегенде 1,7159 құрайдыn және осындай жиынтықтардың барлығын уақытында келтіруге болады O(1.7159n).[13]

Параметрленген күрделілік

Үстемдік мөлшерін табу к параметрленген күрделілік теориясында орталық рөл атқарады. Бұл сынып үшін аяқталған ең танымал мәселе Ж [2] және басқа проблемалардың шешілмейтіндігін көрсету үшін көптеген қысқартуларда қолданылады. Атап айтқанда, мәселе емес қозғалмайтын параметр жұмыс уақытына байланысты алгоритм жоқ деген мағынада f(к)nO (1) кез-келген функция үшін f егер W иерархиясы FPT = W-ге дейін құлап кетпесе, бар [2].

Екінші жағынан, егер кіріс графигі жазықтық болса, онда мәселе NP-күйінде қалады, бірақ белгіленген параметрлі алгоритм белгілі. Шын мәнінде, проблемада сызықтық өлшемдегі ядро ​​бар к,[14] және экспоненциалды жұмыс уақыты к және куб n қолдану арқылы алуға болады динамикалық бағдарламалау а тармақ-ыдырау ядро.[15] Әдетте, үстемдік жиыны мәселесі және мәселенің көптеген нұсқалары үстемдік жиынтығының өлшемімен де, ең кіші өлшемімен де параметрленген кезде тұрақты параметрлі таралатын болады. тыйым салынған толық екі жақты субография; яғни, мәселе FPT қосулы бисликсіз графиктер, жазық графиктерді қамтитын сирек графиктердің өте жалпы класы.[16]

Толықтырушы жиынтық үстемдік жиынтығына, а блоктаушы емес, кез-келген графиктен белгіленген алгоритм арқылы табуға болады.[17]

Нұсқалар

Үстемдік жиынтықтардың маңызды кіші класы - байланысты үстем жиындар. Егер S байланысты доминант жиынтығы, а құруға болады ағаш туралы G онда S ағаштың жапырақты емес шыңдарының жиынтығын құрайды; керісінше, егер Т - бұл екіден көп шыңдары бар графиктегі кез-келген ағаш, жапырақтары жоқ шыңдар Т байланысты үстемдік жиынтығын құру. Сондықтан минималды жалғанған үстем жиындарды табу жапырақтың максималды мүмкін саны бар ағаштарды табумен пара-пар.

A жалпы басым жиынтық - бұл графиктегі барлық төбелер (соның ішінде үстемдік жиынындағы төбелер де) үстемдік жиында көршісіне ие болатын шыңдар жиынтығы. Жоғарыдағы (в) суретте доминант жиынтығы көрсетілген, ол байланысты доминант жиынтығы және толық үстем жиын; (а) және (б) суреттеріндегі мысалдар екеуі де емес

A к- топтық үстемдік жиынтығы - бұл графиктегі әр шыңның кем дегенде болатын шыңдарының жиынтығы к жиынтықтағы көршілер. An (1 + log n) - минимумға жуықтау к-tuple үстем жиынтығын полиномдық уақытта табуға болады.[18] Сол сияқты, а к- үстемдік жиынтығы жиынтықта жоқ әрбір шыңның кем дегенде болатын шыңдарының жиынтығы к жиынтықтағы көршілер. Әрбір график а к- үстемдік жиынтығы, тек минималды дәрежесі бар графиктер к - 1 қабылдау а к- топтық үстемдік жиынтығы. Алайда, егер график k-кортежінің басым жиынтығын мойындаса да, минимум к-tuple басым жиынтығы шамамен болуы мүмкін к минимумнан үлкен есе к-сол бір график үшін үстемдік жиынтығы;[19] (1.7 + log Δ) - минимумға жуықтау к-доминациялық жиынды көпмүшелік уақытта да табуға болады.

A жұлдыздар үстемдігі Бұл ішкі жиын Д. туралы V әрбір шың үшін v V, жұлдыз туралы v (шектес жиектер жиыны v) кейбір шыңдардың жұлдызшасын қиылысады Д.. Егер G бар болса, анық оқшауланған шыңдар онда оның жұлдыздар үстемдігі жоқ (оқшауланған шыңдардың жұлдызы бос болғандықтан). Егер G-де оқшауланған шыңдар болмаса, онда кез-келген үстемдік жиынтығы жұлдыздар үстемдігі болып табылады және керісінше. Жұлдыздар мен әдеттегі үстемдік арасындағы айырмашылық олардың бөлшек нұсқаларын қарастырған кезде едәуір маңызды болады.[20]

A сомалық бөлім - бұл шыңдардың бөлінетін үстем жиындарға бөлінуі. Доматикалық сан - бұл максималды бөлімнің максималды өлшемі.

Ан мәңгілік үстемдік жиынтығы - бұл шыңы болатын үстемдіктің динамикалық нұсқасы v басым жиынтықта Д. таңдалады және көршісіне ауыстырылады сен (сен жоқ Д.) өзгертілген сияқты Д. сонымен қатар үстем жиынтық болып табылады және бұл процесті шыңдарды таңдау кез-келген шексіз кезекпен қайталауға боладыv.

Сондай-ақ қараңыз

Ескертулер

  1. ^ Гарей және Джонсон (1979).
  2. ^ Хедетниеми және Ласкар (1990).
  3. ^ Аллан және Ласкар (1978).
  4. ^ Фаудри, Фландрин және Рыячек (1997).
  5. ^ а б Ахарони, Рон; Бергер, Эли; Зив, Ран (2007-05-01). «Салмақтық графикадағы өкілдердің тәуелсіз жүйесі». Комбинаторика. 27 (3): 253–267. дои:10.1007 / s00493-007-2086-ж. ISSN  1439-6912. S2CID  43510417.
  6. ^ а б Канн (1992), 108-109 беттер.
  7. ^ Escoffier & Paschos (2006).
  8. ^ Раз және Сафра (1997).
  9. ^ Парех (1991).
  10. ^ Пападимитриу және Яннакакис (1991).
  11. ^ Крешенци және басқалар. (2000).
  12. ^ Такамизава, Нишизеки және Сайто (1982).
  13. ^ Фомин және басқалар. (2008).
  14. ^ Альбер, стипендиаттар және Нидермайер (2004).
  15. ^ Фомин және Тиликос (2006).
  16. ^ Telle & Villanger (2012).
  17. ^ Дехне және басқалар. (2006).
  18. ^ Klasing & Laforest (2004).
  19. ^ Förster (2013).
  20. ^ Мешулам, Рой (2003-05-01). «Үстемдік сандары және гомология». Комбинаторлық теория журналы, А сериясы. 102 (2): 321–330. дои:10.1016 / S0097-3165 (03) 00045-1. ISSN  0097-3165.

Әдебиеттер тізімі

Әрі қарай оқу