形式陈述
设 是有限简单无向图公理库有限简单无向图Graph · Finite simple undirected graph · 图由有限顶点集与无序二元顶点子集组成的边集所确定的简单无向图。。顶点集 称为一个团,若
等价地, 诱导的子图公理库子图Subgraph从母图删除顶点或边、同时保留剩余边端点关系所得的图。 是完全图公理库完全图Complete graph每一对不同顶点都恰有一条边相连的有限简单无向图。。顶点集 称为一个独立集,若
最大团与最大独立集的大小分别记为
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。
设 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
是的团是的独立集从而
此外, 是独立集当且仅当 是顶点覆盖,因此
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 没有三角形且含有边,故 。要选独立顶点,每选一个就必须在顺时针方向留出至少一个未选顶点作间隔;选三个至少需要六个位置,因此 ,而任取一对不相邻点即达到等号。把顶点编号为 ,补图的圈可沿 走完,所以它与原图同构。这同时核验了两类参数的补图对应。
在完全二分图 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 ,有
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 中,单点 是极大独立集,因为两个端点都与 相邻;集合 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,因此色数公理库色数Chromatic number一张图存在正常顶点染色所需的最少颜色数。等于把 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
这个下界可能很松:从 反复应用 Mycielski 构造,可以保持无三角形并让色数任意增大。
独立集与顶点覆盖公理库顶点覆盖Vertex cover与图中每条边至少一个端点相交、从而覆盖全部边的顶点子集。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。
最大独立集虽然是全局优化,也可能由小边界逐步求出。给定宽度 的树分解,树宽动态规划公理库树宽上的动态规划treewidth dynamic programming · DP on tree decompositions以最大独立集的完整逐袋计算,证明树分解边界状态、合并去重与回溯,并区分宽度、袋数和分解成本。按“当前袋中恰好选了哪些顶点”分类部分解,在每类中只保留最大大小。遗忘顶点时比较选与不选,合并两支时扣掉共同选中的袋顶点。六顶点图 中,两支解 与 因共享 合成大小三的 ;这个方法寻找的是最大解,而非一次贪心停止得到的极大解。
任意 都迫使树分解公理库树分解与树宽Tree decomposition · Treewidth用按树组织的顶点袋覆盖图,并以最小最大袋大小衡量图偏离树结构的程度。中的某个 bag 同时包含其全部顶点,所以 。Ramsey 定理公理库Ramsey 定理Finite Ramsey theorem足够大的有限结构中必然出现给定大小的同质子结构。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.