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Kőnig 二分图定理

Kőnig's theorem for bipartite graphs

二分图中最大匹配大小等于最小顶点覆盖大小。

条目类型
定理

形式陈述

Kőnig 二分图定理断言:对每个有限二分图 G,最大匹配大小等于最小顶点覆盖大小,

ν(G)=τ(G).

一般图中总有 ν(G)τ(G);二分性使该下界可达到。构造性证明从最大匹配 M 出发:从左部未匹配顶点沿“非匹配边向右、匹配边向左”的交替路搜索。若可达左顶点集为 ZL、可达右顶点集为 ZR,则

(LZL)ZR

是大小 |M| 的顶点覆盖。该定理等价于二分图匹配线性规划的整数性,也推出 Hall 定理。

直觉

任意顶点覆盖都必须碰到匹配中的每条互不相邻边,所以覆盖大小至少是匹配大小。二分结构保证这个显然下界总能达到:从未匹配左点出发沿交替路搜索,可把“可达左点的补集 + 可达右点”组成同样大小的覆盖。一般图中的奇圈会破坏这种精确配平。

例子与边界

路径 P4 的最大匹配和最小顶点覆盖大小都为二。三角形不是二分图:最大匹配为一,最小顶点覆盖为二,说明结论不能推广到任意图。构造中必须从某一侧的未匹配顶点出发,并按交替方向搜索;若最大匹配已经饱和左侧,则可达集为空,覆盖就是整个左侧,其大小等于匹配大小。定理比较的是基数,不声称最大匹配与最小覆盖对象唯一。带权二分图顶点覆盖有相应线性规划对偶版本,但公式需要权重。

在完全二分图 K2,3 中,匹配至多覆盖左侧两个顶点,所以最大匹配大小为 2;左侧整个二元集合本身就是大小为 2 的顶点覆盖。任何单点都遗漏另一左点发出的边,因此最小覆盖也恰为 2。这给出等号的直接证书,而最大匹配与最小覆盖仍可各有多种选择。

推论与应用

二分图上的最大匹配与最小顶点覆盖由 Kőnig 定理相等。它可由 Hall 定理或网络流推导,也解释二分匹配线性规划为何具有整数最优解。任务分配、矩阵非零项的最少行列覆盖、最少监控点与Dilworth 定理的匹配证明都利用这组原—对偶结构。

参考资料
  • Reinhard Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer, 2017,Ch. 2, König theorem and alternating paths。
  • Douglas B. West, Introduction to Graph Theory, 2nd ed., Prentice Hall, 2001,Ch. 3, bipartite matching and vertex-cover duality。
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