Pencocokan berat maksimum dan fungsi submodular


10

Diberikan grafik bipartit G=(U∪V,E) dengan bobot positif, biarkan f:2U→R dengan f(S) sama dengan pencocokan berat maksimum dalam grafik G[S∪V] .

Benarkah f adalah fungsi submodular?


3
Bagaimana menurut anda? Sudahkah Anda mencoba membuktikan / menolaknya?
— Yuval Filmus

Secara intuitif sepertinya memang benar tetapi saya tidak bisa membuktikannya. Juga saya pikir jika itu benar itu harus menjadi hasil yang terkenal tetapi saya tidak dapat menemukan referensi.
— George Octavian Rabanca

2
Ini berlaku untuk kasus tanpa bobot, karena dapat dikurangi menjadi pemotongan minimum. Tidak jelas bagaimana cara membuktikan versi berbobot ...
— Chao Xu

Pertimbangkan K2,2 dengan bobot tepi 1,1,1,2.
— András Salamon

1
@ AndrásSalamon Sepertinya pada langkah terakhir Anda menganggap bahwa f adalah aditif, yang tidak benar. Pencocokan maksimum S∩T mungkin menggunakan simpul yang telah digunakan oleh kedua pencocokan S∖T dan T∖S . Saya punya bukti untuk ini sekarang tetapi jelas lebih terlibat dari ini.
— George Octavian Rabanca

Jawaban:


1

Definisi . Untuk himpunan terbatas , fungsi himpunan f : 2 A → R adalah submodular jika untuk X , Y ⊆ A menyatakan bahwa: f ( X ) + f ( Y ) ≥ f ( X ∪ Y ) + f ( X ∩ Y ) .Af:2A→RX,Y⊆A

f(X)+f(Y)≥f(X∪Y)+f(X∩Y).

Lemma Diberikan grafik bipartit dengan bobot tepi positif, misalkan f : 2 A → R + menjadi fungsi yang memetakan S ⊆ A dengan nilai pencocokan berat maksimum dalam G [ S ∪ B ] . Kemudian f adalah submodular.G=(A∪B,E)f:2A→R+S⊆AG[S∪B]f

Bukti. Perbaiki dua set dan biarkan M ∩ dan M ∪ menjadi dua pencocokan untuk grafik G [ ( X ∩ Y ) ∪ B ] dan G [ ( X ∪ Y ) ∪ B ] . Untuk membuktikan lemma sudah cukup untuk menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk mempartisi tepi dalam M ∩ dan untuk grafik G [ X ∪ BX,Y⊆SEBUAHM.∩M.∪G[(X∩Y)∪B]G[(X∪Y)∪B]M.∩ menjadi dua pencocokan terpisah M X dan M YM.∪M.XM.Y dan G [ Y ∪ B ] masing-masing.G[X∪B]G[Y∪B]

Tepi dan M ∪ membentuk kumpulan jalur dan siklus bolak-balik. Biarkan C menunjukkan koleksi ini dan amati bahwa tidak ada siklus C yang mengandung simpul dari X ∖ YM.∩M.∪CCX∖Y atau . Ini berlaku karena M ∩ tidak cocok dengan simpul tersebut.Y∖XM∩

Biarkan menjadi himpunan jalur di C dengan setidaknya satu simpul dalam X ∖ Y dan biarkan P Y menjadi himpunan jalur diPXCX∖YPY dengan setidaknya satu titik di Y ∖ X . Dua jalur seperti itu digambarkan dalam gambar di bawah ini.CY∖X

masukkan deskripsi gambar di sini

Klaim 1. . PX∩PY=∅

Asumsikan oleh kontradiksi bahwa ada jalan . Biarkan x menjadi simpul di X ∖ Y di jalan P dan juga membiarkan y menjadi titik di Y ∖ X di jalan P . Perhatikan bahwa karena x atau y bukan milik X ∩ Y mereka tidak termasuk dalam pencocokanP∈PX∩PYxX∖YPyY∖XPxyX∩Y dengan definisi, dan karena itu mereka adalah titik akhir dari jalur P . Apalagi sejak x danM∩Px berada di A , jalur P memiliki panjang genap dan karena merupakan jalur bolak-balik, baik tepi pertama atau terakhir milik M ∩ . Oleh karena itu M ∩ cocok dengan x atau y , yang bertentangan dengan definisi dan membuktikan klaim.yAPM∩M∩xy

Misalkan dan M Y = ( P X ∩ M ∩ ) ∪ ( ( C ∖ P X ) ∩ M ∪ ) . Jelas bahwa M X ∪ M Y = M ∩ ∪ M ∪

MX=(PX∩M∪)∪((C∖PX)∩M∩)
MY=(PX∩M∩)∪((C∖PX)∩M∪).
MX∪MY=M∩∪M∪ dan . Untuk membuktikan teorema, tetap menunjukkan bahwa M X dan M Y adalah pasangan yang cocok untuk G [ X ∪ B ] dan G [ Y ∪ B ] . Untuk melihat bahwa M X adalah pencocokan yang valid untuk G [ X ∪ X karena P X tidak memotong Y ∖ X dengan Klaim 1, dan M ∩ tidak berpotongan Y ∖ XMX∩MY=M∩∩M∪MXMYG[X∪B]G[Y∪B]MX perhatikan terlebih dahulu bahwa tidak ada simpul Y ∖ X dicocokkan oleh MG[X∪B]Y∖XMXPXY∖XM∩Y∖X menurut definisi. Oleh karena itu, hanya menggunakan simpul dari X ∪ B . Kedua amati bahwa setiap simpul x ∈ X dicocokkan oleh paling banyak satu tepi M X karena jika tidak x milik dua tepi M ∪ atau dua tepi M ∩ , yang bertentangan dengan definisi. Ini membuktikan bahwa M XMXX∪Bx∈XMXxM∪M∩MXadalah pencocokan yang valid untuk ; menunjukkan bahwa M Y adalah matchings berlaku untuk G [ Y ∪ B ] mirip.G[X∪B]MYG[Y∪B]

Ini terlihat hebat! Sebagai saran kecil: definisi MX dan tidak simetris, jadi klaim akhir Anda bahwa " M Y ... serupa" tidak langsung. Lebih jelas (saya pikir) jika Anda membiarkan C ′ ≐ C ∖ P X ∖ P Y menunjukkan komponen yang terhubung tidak menyentuh titik di X Δ Y , dan kemudian mengatur M X = ( P X ∩ M ∪ ) ∪ ( P YMYMYC′≐C∖PX∖PYXΔY dan M Y menjadi sama dengan X dan Y bertukar dan kemudian M ∩ berubah menjadi M ∪ . MX=(PX∩M∪)∪(PY∩M∩)∪(C′∩M∩)MYXYM∩M∪
— Andrew Morgan
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.