求解任意图的最小支配集(Minimun Dominating Set)

给定一个无向图G =(V,E),其中V表示图中顶点集合,E表示边的集合。G的最小控制顶点集合为V的一个子集S∈V;假设集合R表示V排除集合S后剩余顶点集合,即R∩S=∅,R∪S=V;则最小控制顶点集合S满足约束条件:R中任意一个顶点至少与S的一个顶点直接相连。给定一个图,求出最小控制集。

控制集定义:

控制集又称支配集(Minimun Dominating Set),支配集是图G中的顶点集合S ⊆ V,满足对于任何顶点v∈V,要么v∈S,要么v与集合S中至少一个顶点相邻。

最小控制集:

对于支配集S0,不存在任何支配集S1,使|S1|<|S0|,则称S0是图G的最小支配集,γ(G)=|S0|称为图G的支配数;

最小支配集的性质:

1)求最小支配集问题被证明属于NP完全问题,即对于给定问题域的输入规模,目前尚无足够的手段证明该问题能够被判定在多项式时间内求解。

2)在含n个点的任意图中,若任意点的度大于等于3,则该图的最小支配集小于等于3n/8。

3)对于特殊图,如树,可使用贪心或dp的方法解决问题。

将图论问题转化为数学问题:

为了方便说明,我们定义图中节点vi的闭邻集为N[vi],若vi为支配点赋值为1,否则赋值为0。根据支配集的定义,我们可以看出,图A中每个点要满足的条件即为N[i]的和大于等于一,也就是说,vi及其临集中至少含有一个支配点,而最小支配集则要求v1…vn的和最小,转化为数学公式,也就是特殊的0-1整数规划问题。

设计算法:

输入:一个任意图,格式为,第一行n表示n个节点,接下来任意行,每行两个数,a,b表示a到b有一条无向边。

输出:最小支配集(节点编号)

1)遍历邻接表,找出度为0的节点,直接加入支配集,度为1的节点,其相邻节点加入支配集,并加入支配集,度为1的节点记录为精确取值。

2)将邻接集合按从大到小排序,贪心选择最大的设为支配集,并动态维护邻接集合,直到支配集满足条件,将此支配集设为约束条件。

3)开始深度搜索,首先对该集合判断是否满足条件,若满足,和当前约束条件比较,若小于当前上界,代替约束条件。

4)按顺序遍历节点,若已经明确加入支配集则跳过该节点,若已经超过上界,返回,否则分别将该节点置为0和1,跳到步骤4。

这个算法的朴素时间复杂度是O(2^n)的,理论上一般要优于这个时间复杂度。

Grandoni算法的时间复杂度为O(2^0.61n),有兴趣的可以去看看论文:路纲, 周明天, 唐勇,等. 任意图支配集精确算法回顾[J]. 计算机学报, 2010, 33(6):1073-1087.

原文地址:https://www.cnblogs.com/flyuz/p/10255934.html