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 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 , 表示两端都在 中的边, 表示接触 的边。Edmonds 匹配多胞形定理给出
其中 , 是匹配公理库匹配Matching in a graph由彼此不共享端点的边组成、表达一对一配对约束的边集合。的示性向量。单点奇集给出平凡的 ,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: 个顶点中,每条内部匹配边占两个,最多容纳 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公理库多面体与多胞形Polyhedron · Polytope分别由有限线性不等式交与有限点凸包描述,并由 Minkowski–Weyl 定理连接的凸几何对象。,而不是只排除某个当前分数解。
直觉
把 内的度约束相加,得到
这只是连续容量计数。对真正匹配,内部边数还是整数;当 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公理库二分图匹配多胞形Bipartite matching polytope证明二分图的非负边变量与顶点度上界已给出匹配凸包,并用交替扰动区分分数可行点和分数顶点。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 。每个顶点的度和是一,但总边量为 。取 ,奇集约束要求 ,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 ,下三角形为 ,跨边为 。令九条边都取 ,每个顶点的度和都是一,上三角形 的跨界总量也恰为一。
这份分数向量有明确分解:
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 ;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 时,上面留下 、下面留下 ,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 ,奇集条件等价于 。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 ;仅靠 条度等式不够钉住一个极点,必须有一条新的紧奇割 。可取 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 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 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 ,原边及复制边都赋值 ,每对对应顶点 间加入权重 的竖边。所有度和变成一。任意奇集写成 ,令 ; 至少一个大小为奇数。不妨 为奇数,复制图的该割容量至少为
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 ,还给每个奇集价格 。边 的价格覆盖条件为
目标是最小化 。弱对偶公理库线性规划对偶Linear programming duality · LP duality从线性约束生成对偶界,并以弱对偶、强对偶和互补松弛连接两侧最优解。让任何这样的价格成为匹配权重上界。五环单位权例中,令 、其他价格零,上界就是二,与两条边的匹配相遇。
Edmonds 增广路算法公理库Edmonds blossom 算法Edmonds' blossom algorithm · Blossom algorithm通过识别并收缩奇交替环,在一般图中保持增广路存在性并求最大匹配的算法。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。