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定理Theorem

一般匹配多胞形的奇集约束

Edmonds matching polytope · Odd-set inequalities · Blossom inequalities

用全部奇数顶点集的内部边上界补齐一般图匹配凸包,并通过紧奇割的收缩与配对展开解释整数性机制。

形式陈述 ​

一般图的度约束允许奇圈上每边取一半。怎样补上恰好足够的线性条件,使可行域恢复为所有匹配的凸包?

设 G=(V,E) 是有限无向无自环图;定理也允许有独立身份的平行边,各自对应一个变量,以便收缩证明保持在同一模型内。对 S⊆V,E(S) 表示两端都在 S 中的边,δ(v) 表示接触 v 的边。Edmonds 匹配多胞形定理给出

conv{χM:M 是匹配}={x≥0:x(δ(v))≤1∀v∈V,x(E(S))≤(|S|−1)/2∀S⊆V, |S| 为奇数}.

其中 x(F)=∑e∈Fxe,χM 是匹配的示性向量。单点奇集给出平凡的 0≤0,实现中可只考虑大小至少三的奇集。

每条奇集约束都显然对匹配有效:|S| 个顶点中,每条内部匹配边占两个,最多容纳 ⌊|S|/2⌋ 条。定理深处在反向包含:加入全部这些约束以后,已经没有任何额外分数极点。它描述的是完整多胞形,而不是只排除某个当前分数解。

直觉

把 S 内的度约束相加,得到

2x(E(S))+x(δ(S))≤|S|.

这只是连续容量计数。对真正匹配,内部边数还是整数;当 |S| 为奇数时,多出的半个配对位置不能使用。奇集约束把这份奇偶信息放回 LP。

在二分图匹配多胞形中,偶环允许交替扰动,度约束已经足够;一般图的奇圈会锁住分数。补齐奇集以后,若仍试图构造分数极点,它就必须遇到一个紧的奇数区域。收缩这个区域,分别在内外处理,再按跨界边把两边匹配接起来,是整数性证明的重要机制。

奇集容量与紧割拼接
例子与边界

五环排除的是半条额外匹配 ​

在五环上令每边 1/2。每个顶点的度和是一,但总边量为 5/2。取 S=V,奇集约束要求 x(E)≤2,立即排除它。实际最多选两条互不接触的边,两条也确实可取,整数最优为二。

只加五环这一条割并不是一般图的完整算法。在较大图里,需要检查许多不同奇集,它们不一定是诱导奇环,甚至不一定对应当前增广路搜索中的一个 blossom。奇集指的是任意奇数顶点集合,内部可能还有弦和复杂子图。

在紧奇割两侧拼接匹配 ​

看三棱柱图:上三角形顶点为 a,b,c,下三角形为 d,e,f,跨边为 ad,be,cf。令九条边都取 1/3,每个顶点的度和都是一,上三角形 S={a,b,c} 的跨界总量也恰为一。

这份分数向量有明确分解:

13χ{ad,bc,ef}+13χ{be,ac,df}+13χ{cf,ab,de}.

每个分量都是完美匹配,每条边恰出现一次。收缩上三角形后,三种外侧匹配分别选择跨边 ad,be,cf;收缩下三角形也得到对应的内侧匹配。两边必须按照同一条跨边配对,才能还原原图匹配。例如使用 ad 时,上面留下 bc、下面留下 ef,而不能随便把另一个跨边的内部方案接上。

为什么这个机制能证明完整定理 ​

先证明完美匹配版本:度约束为等式 x(δ(v))=1,奇集条件等价于 x(δ(S))≥1。对顶点数与边数组成的有序对作字典序归纳;空图由空匹配给出基例,不可行情形两边都为空。考察可行域的一个极点,删掉零边;若有值为一的边,移除其两端后归纳。剩下所有边都严格在零和一之间,每个顶点至少接触两条边。

如果全部图结点的度数都是二,支撑是若干环。奇数环分量被奇割条件排除;偶数环可以交替正反扰动,所以不可能形成分数极点。如果某个图结点度数大于二,则 |E|>|V|;仅靠 |V| 条度等式不够钉住一个极点,必须有一条新的紧奇割 x(δ(S))=1。可取 S 和补集都至少含三个顶点,因为单点及其补集的割只是已有度等式。

分别收缩 S 与其补集,删去被收缩区域的内部边,保留每条跨割边的原身份及可能产生的平行记录。新超级点的度和等于一;收缩奇数个顶点为一个顶点保持奇偶性,所有奇割条件都能从原图继承。两张更小的图由归纳假设可分解为完美匹配。它们在跨割每条边上的总权重相同,可以把权重细分后按跨边配对,再展开,得到原 x 的匹配凸组合。一个分数极点不可能有这样的非平凡分解,矛盾。

最后把普通匹配化为完美匹配:复制一份图 G′,原边及复制边都赋值 xe,每对对应顶点 v,v′ 间加入权重 1−x(δ(v)) 的竖边。所有度和变成一。任意奇集写成 A∪B′,令 C=A∖B,D=B∖A;C,D 至少一个大小为奇数。不妨 C 为奇数,复制图的该割容量至少为

∑v∈C(1−x(δ(v)))+x(δ(C))=|C|−2x(E(C))≥1.

其余割项非负;两份图的对称边确保这一下界。于是复制图满足完美匹配条件,分解后再投影回原图,就得到普通匹配的凸组合。

推论与应用

一般匹配的加权对偶除了顶点价格 yv≥0,还给每个奇集价格 zS≥0。边 uv 的价格覆盖条件为

yu+yv+∑S:u,v∈SzS≥cuv,

目标是最小化 ∑vyv+∑S((|S|−1)/2)zS。弱对偶让任何这样的价格成为匹配权重上界。五环单位权例中,令 zV=1、其他价格零,上界就是二,与两条边的匹配相遇。

Edmonds 增广路算法收缩的是相对于当前匹配和交替森林的 blossom;这里证明凸包时收缩的是分数向量的一条紧奇割。两种收缩都利用奇偶结构,但对象与不变量不同,不能把任意奇集当作增广路算法中可随时收缩的 blossom。

约束数可以指数多,却不妨碍这个描述有算法价值:真正求解时通常通过分离算法寻找当前违反的奇集,再加入需要的约束,而不是预先列出全部子集。完整匹配定理说明这些约束足够,具体分离成本则需要另一份算法分析。

参考资料
  • Jack Edmonds, “Maximum Matching and a Polyhedron with 0,1-Vertices”, 1965, §§2–3:NIST 原论文。度约束、奇集约束与凸包定理。
  • Jan Vondrák, CS369P, Lecture 5, 2010, §§1–2:官方讲义。紧奇割收缩、按跨边配对,以及普通匹配到完美匹配的复制图证明。
  • Michel X. Goemans, MIT 18.438 Lecture 7, 2009, §2:官方讲义。一般匹配的奇集对偶与 Cunningham–Marsh 整数证书。
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