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团与独立集

Clique · Independent set · 团 · 独立集

顶点集内部的边关系分别达到两两全有与两两全无时形成的两类结构。

条目类型
定义

形式陈述

G=(V,E)有限简单无向图。顶点集 CV 称为一个,若

u,vC,uvuvE.

等价地,C 诱导的子图 G[C]完全图。顶点集 IV 称为一个独立集,若

u,vI,uvuvE.

最大团与最大独立集的大小分别记为

ω(G)=max{|C|:C 是团},α(G)=max{|I|:I 是独立集}.

对象按包含无法再扩张时称为极大,在所有同类对象中基数最大时称为最大。每个最大团或最大独立集都极大;极大对象只给出局部停止证书,规模可能不是最优。

G 是在同一顶点集上把边与非边互换得到的补图。逐对检查可得

C 是 G 的团C 是 G 的独立集,

从而

ω(G)=α(G),α(G)=ω(G).

此外,I 是独立集当且仅当 VI 是顶点覆盖,因此

α(G)+τ(G)=|V|.
直觉

团与独立集观察同一组顶点内部的成对关系。团要求每一对都直接相邻,中间路径无法弥补缺边;独立集则要求一条内部边也没有。补图逐对翻转“有边/无边”,所以两类结构在同一顶点集上严格互换。

极大性对应一次贪心过程的终点:眼前没有单个顶点可以加入。最大性要排除图中所有其他候选,属于全局比较。真正的困难常在于撤销先前选择后寻找更大集合;给定候选的合法性反而容易检查。

例子与边界

五圈 C5 没有三角形,故 ω(C5)=2;任取三个顶点总有一对相邻,故 α(C5)=2。它与自己的补图同构,团与独立集参数也随之相同。这种自补结构把两类对象的对偶直接画在同一张图上。

在完全二分图 Km,n 中,任意跨侧边的两个端点组成大小为二的团,同侧则没有边。若 m,n>0,有

ω(Km,n)=2,α(Km,n)=max{m,n}.

图可以拥有许多边,同时仍没有大团;边密度与团数之间没有简单的逐点换算。

三点路径 xyz 中,单点 {y} 是极大独立集,因为两个端点都与 y 相邻;集合 {x,z} 才是大小为二的最大独立集。这个最小反例已经足以推翻“贪心得到极大就等于求得最大”的推断。

空集与单点集按定义同时是团和独立集。连通顶点集只要求内部任意两点之间有路径,远弱于团的两两直接相邻。图论独立集的元素是顶点;拟阵独立集可以取别的底集,并额外满足交换公理,两种术语不能仅凭名称合并。

推论与应用

一个正常着色的每个颜色类都是独立集,因此色数等于把 V 分割成独立集所需的最少份数。团中顶点两两相邻,必须使用不同颜色,于是

ω(G)χ(G).

这个下界可能很松:从 C5 反复应用 Mycielski 构造,可以保持无三角形并让色数任意增大。

独立集与顶点覆盖的补集对应把两个优化问题精确互换:给出最大独立集便得到最小覆盖,反之亦然。这个关系保持最优值,也保持每个具体可行解的补集,不依赖图是否二分。

任意 Kt 都迫使树分解中的某个 bag 同时包含其全部顶点,所以 tw(G)ω(G)1Ramsey 定理则说明顶点数足够大时,图与补图不可能同时避开指定规模的团。

在冲突图中,可同时执行的一组任务对应独立集;在相识图中,两两直接相识的一组人对应团。建模时,相关性、共同邻居或经由第三方可达都不能替代边所表达的直接成对关系。

参考资料
  • Douglas B. West, Introduction to Graph Theory, 2nd ed., Prentice Hall, 2001, Chapters 5 and 8.
  • Reinhard Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer, 2017, Chapters 5 and 9.
  • Martin Grötschel, László Lovász, and Alexander Schrijver, Geometric Algorithms and Combinatorial Optimization, Springer, 1988, Chapter 9.
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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