最小点覆盖和二分图最大匹配(证明)

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想当年,ccy学二分图匹配的时候学完匈牙利算法,做了一个place the robts后,就没弄了,这次,看吴老师给高二新做的ppt,才知道,自己学到的东西又是多么滴少。ccy哭~~~~~~~~~~【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)(不要安慰我)~~~~

    当再看ppt的一道题下有个结论最小覆盖点==最大匹配数时,就无语了。原因有二,其一,我以前听都没听过,其二,现在感觉是那么回事,但是,又想问为什么。

   

    先说一下,什么叫做最小覆盖点。

    在一个二分图中,一个x部或y部的覆盖点可以覆盖与之相连的所有线段,选择一些点,使得覆盖所有线段,点数最少。

    König定理:最小覆盖点数==最大匹配数

    我有两个证明。

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    证明一:

    首先,我们要抓住二分图最大匹配后图的特点,此时,不存在增广路。如下图所示,该图为不完整的最大匹配后的二分图:

    【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)

     红点为匹配点,蓝点为未匹配点。

     对于一个点而言,他所连接的点有这三种情况:

     1、只连接了红点;

     2、只连接了蓝点;

     3、连接了红点和蓝点。

     在上面的图中,x与y是所连接的边是匹配边。x连接了红点和蓝点,这个时候,y所连接的点一定没有蓝点,如果有,就是一条新的增广路,那么该图就不是最大匹配图了。

     另一天更明显,就是在最大匹配图中 不会出现一条边同时连接着两个蓝点。

     那么,对于一条边而言,只有两种情况:

     1、两端的点是红点;

     2、两端的点一点是红色,一点是蓝色。

     可知,一条边上,一定有红点,那么,我们就选择红点作为覆盖点。

     对于上面的匹配边xy,我们无论是选择x还是y都可以覆盖xy这条边,但是对于图中的蓝点而言,只能选择x作为覆盖点去覆盖那条边,这样,我们就选择x作为覆盖点,它所覆盖的边中,既包括了与他相连的那些蓝点的边,也包括了xy这条匹配边。因为y点没有蓝色连接点,所以,y不是必须选择的覆盖点,它与那些红点相连的边都可以选择那些红点来覆盖边。所以,对于一条匹配边而言,我们只需要选择其中一个点就可以覆盖完整个二分图里的边了。

    所以最小覆盖点数等于最大匹配。  

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    证明二:

    这是Matrix67的证明,ccy用自己的语言写一下,O(∩_∩)O~~~~~~~~~~~~

    Matrix67证明的链接:http://www.matrix67.com/blog/?s=%E6%9C%80%E5%B0%8F%E8%A6%86%E7%9B%96%E7%82%B9

   

    对于一个已经匹配好的二分图,我们进行如下操作,就可以找出一些点,使之覆盖所有的边。

    规则如下:对于Y部所有未被匹配的点,我们就从它出发,找“交错轨”,这里的“交错轨”和匹配时的交错轨很相似,他们一样的地方都是从一个未被匹配的点出发,按着颜色交替搜下去,他们不同的是,匹配的交错轨最终要在另一个部里找到一个未匹配的点,这里的“交错轨”,没有办法找到未被匹配的点,我们就一直搜下去,知道搜不动,既搜到以前又搜过的。把搜这条“交错轨”所经过的点我们都做上标记。最后,覆盖点就是X部被标记了的点和Y部没有标记的点。

    如图所示:

    【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)

    从Y部的未被匹配的点出发,顺着蓝色线所标记的路,经过的点都做上标记,最后,选取X部做了标记的点和Y部没有做标记的点,既图中的蓝点。

    从图中,直接看出,通过这种方法可以选取最大匹配数量的点覆盖完了所有的边。

 

    首先我们要明白按这种方法标记的特点:

    1、出发的第一条边是灰色,结束的边是黑色;

    2、X的被标记的点是从Y到X走灰边;

    3、Y被标记的点是未匹配的点或者从X到Y是黑色的边的点。

 

    我们看X部,它的点,有3种情况:

    1、只有一条黑边;

    2、只有灰边;

    3、黑边灰边都有。

    情况1只有一条黑边的点不可能被标记,由标记特点2可知。

    情况2只有灰边的点不可能被标记到。如果被标记,那么这条边就是结束边,而“交错轨”的结束边是黑色,由特点1知。

    情况3黑边灰边都有,这样的X点可能被标记,因为它有进有出。

 

    如果我们把X部标记了的点去掉后,只可能有下面三种情况:

    第一种:

    【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)

    这个时候,只剩情况1、2的X部点,他们所连接的Y部点都是没有被标记的,最后,我们选择Y部点作为覆盖点时,整个图的边就覆盖完了。
    第二种:

    【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)

    虽然上图有X点同时连接着灰边和黑边,但是,选择上图的两个蓝点后,就可以把所有的边覆盖完。
    第三种:

    第一种和第二种的综合版

    【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)

    这个,纯属搞笑,O(∩_∩)O~。

 

    好了,这样我们证明了通过这种方法选择的点一定可以覆盖完所有边。

    下面,还需要证明,这样的覆盖点等于最大匹配数。

 

    对于每条匹配边而言,它都有X部和Y部的匹配点。我们通过标记后,对于走过的匹配边而言,我们选择的是X部的点,对于走过的匹配边而言,我们选择的是Y部的点,所以加起来就是匹配数。

    那么,这就一定是最小覆盖点数吗?

    答案是显而易见的,因为,每条匹配边之间都是独立的,没有重合的X部点或者Y部点,所以,只对于匹配边而言,每条匹配边都需要一个覆盖点,才能覆盖这条边。

    所以,最小覆盖点数等于最大匹配数。
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    忽忽~ ccy终于写完了……

    今天天气很好,出太阳了,爬山去,O(∩_∩)O~~~~~~~~~~~~~~~【二分图匹配】König定理及其证明(最小覆盖点)~~~~~~~~~~~~~~~

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