独立集问题和点覆盖问题和最大团问题

独立集(independent set)

图中每一条边至多有一个顶点在这个集合中,也就是说不会存在一条边包含的两个顶点都在这个集合中,即集合中不存在相邻的顶点。我们希望尽可能找到更多的这样的顶点。

点覆盖(vertex cover)

图中每一条边至少有一个顶点在这个集合中,也就是说用点去覆盖整个图的所有的边,当然,我们希望找到最少的点去覆盖所有的边。


image.png

独立集和点覆盖互补

观察图,发现互补
独立集 ==p 点覆盖
注意:p代表多项式时间等价

证明

先证明独立集能在多项式时间内推导出点覆盖

-S是任意一个独立集(图为G=(V,E))
-S中任意一条边e(u,v)
-因为S是独立集,所以u,v不能同时在S中,假设u不在S中,那么u必在V-S中,同理假设v不在S中,则v必在V-S中,也有可能u,v都在V-S中,反正总而言之,V-S至少包含u,v中的一个,是不是很熟悉?没错,这就是点覆盖的定义咯!所以V-S就是点覆盖。

反过来如果已知了点覆盖,在多项式时间内推导出独立集

-V-S是任意一个点覆盖
-假设在S中有两个顶点u,v
-那么u,v一定不能构成一条边,为什么?因为假设u,v能构成一条边,那么按照点覆盖的定义,u,v中至少有一个点应该在V-S这个集合中,而不是都在集合S 里面
-因此,S中的任意两个点不能构成一条边,即不存在相邻的顶点,即S是独立集。

最大团问题

从无向图的顶点集中选出k个并且k个顶点之间任意两点之间都相邻。最大的k就是最大团。
区分最大独立集:从无向图中的顶点中选出k个并且k个顶点之间互不相邻,最大的k就是最大独立集。

性质

无向图的最大团 ==p 该无向图补图的最大独立集(补图的意思就是有边变无边,无边变有边

证明

正向证明

-S是任意一个团(G =(V,E))
-S中的任意两点Su,v能构成一条图中的边
-现在把u,v构成的边去掉
-那么u,v中任意两点都不能构成图中的边,即两两点不相邻,则此时的S是独立集

逆向证明

-S是独立集
-那么S中的任意两点u,v均不能构成图中的边
-若u,v加上边
-则S中任意的u,v之间都有边,则S是团

最大是怎么做到的

S是最大团,那么V-S中的任意两点均不存在边,取补图的时候,无边变有边,即任意点都有相邻点,那么V-S中的所有点都不可出现在独立集中。反过来,如果S是独立集,那么V-S中所有的点都至少有一条边与它相连(独立集和点覆盖互补),那么取补图的时候,V-S中所有点都不会有边,即任意两点都没有边,那么也就是说V-S中的点必不能出现在最大团的集合中。

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