Кіріспе
Тәуелсіз жиын, ешқандай басқа тәуелсіз жиынның ішкі жиыны емес. Графтағы максималды тәуелсіз жиындардың комбинаторлық аспектілері. Граф теориясында максималды тәуелсіз жиын (МТЖ) немесе максималды тұрақты жиын – ешқандай басқа тәуелсіз жиынның ішкі жиыны емес тәуелсіз жиын. Басқаша айтқанда, тәуелсіз жиынға қосыла алатын сыртқы төбе жоқ, өйткені ол тәуелсіз жиын қасиеті бойынша максималды. Мысалы, үш төбесі a, b, c және екі қабырғасы бар графте {b} және {a, c} жиындары екеуі де максималды тәуелсіз. {a} жиыны тәуелсіз, бірақ максималды тәуелсіз емес, өйткені ол үлкен тәуелсіз жиын {a, c} жиынының ішкі жиыны болып табылады. Осы графте максималды кликтер {a, b} және {b, c} жиындары болып табылады. МТЖ графте доминантты жиын болып табылады, және тәуелсіз кез келген доминантты жиын максималды тәуелсіз болуы керек, сондықтан МТЖ тәуелсіз доминантты жиын деп те аталады. Графтың әртүрлі өлшемдегі көптеген МТЖ болуы мүмкін; графтың ең үлкен немесе бірнеше бірдей үлкен МТЖ ең үлкен тәуелсіз жиын деп аталады. Барлық максималды тәуелсіз жиындары бірдей өлшемде болатын графтар жақсы жабылған графтар деп аталады. "Максималды тәуелсіз жиын" термині графтардан басқа математикалық құрылымдардағы, әсіресе векторлық кеңістіктерде және матроидтардағы тәуелсіз элементтердің максималды ішкі жиындарын сипаттау үшін де қолданылады. МТЖ-мен байланысты екі алгоритмдік мәселе бар: берілген графте бір МТЖ табу және берілген графтегі барлық МТЖ-ді тізімдеу.
the combinatorial aspects of maximal independent sets of vertices in a graph
In graph theory, a maximal independent set (MIS) or maximal stable set is an independent set that is not a subset of any other independent set. In other words, there is no vertex outside the independent set that may join it because it is maximal with respect to the independent set property. For example, in the graph , a path with three vertices a, b, and c, and two edges and , the sets {b} and {a, c} are both maximally independent. The set {a} is independent, but is not maximal independent, because it is a subset of the larger independent set {a, c}. In this same graph, the maximal cliques are the sets {a, b} and {b, c}. A MIS is also a dominating set in the graph, and every dominating set that is independent must be maximal independent, so MISs are also called independent dominating sets. A graph may have many MISs of widely varying sizes; the largest, or possibly several equally large, MISs of a graph is called a maximum independent set. The graphs in which all maximal independent sets have the same size are called well covered graphs. The phrase "maximal independent set" is also used to describe maximal subsets of independent elements in mathematical structures other than graphs, and in particular in vector spaces and matroids. Two algorithmic problems are associated with MISs: finding a single MIS in a given graph and listing all MISs in a given graph.
Графикалық отбасылық сипаттамалар
Кейбір графтар отбасылары максималдық кликалары немесе максималдық тәуелсіз жиынтықтары тұрғысынан сипатталған. Мысалға, максималдық клика азайтылмайтын және мұрагерлік максималдық клика азайтылмайтын графтарды атауға болады. Егер әрбір максималдық кликада басқа ешқандай максималдық кликаға жатпайтын қабырға болса, онда график максималдық клика азайтылмайтын деп айтылады, ал әрбір индукцияланған подграф үшін осы қасиет орынды болса, онда мұрагерлік максималдық клика азайтылмайтын деп аталады. Мұрагерлік максималдық клика азайтылмайтын графтарға үшбұрышсыз графтар, екі бөлікті графтар және интервалдық графтар жатады. Кографтар – әрбір максималдық клика әрбір максималдық тәуелсіз жиынтықпен қиылысатын және барлық индукцияланған подграфтарда осы қасиет сақталатын графтар ретінде сипатталады.
Жинақтардың санын шектеу
көрсетті, кез келген n төбесі бар графтың ең көп дегенде 3n/3 максималды кликасы болады. Сонымен қатар, кез келген n төбесі бар графтың ең көп дегенде 3n/3 максималды тәуелсіз жиыны болады. 3n/3 максималды тәуелсіз жиыны бар графты құру оңай: жай ғана n/3 үшбұрышты графтардың біріктірілмеген қосындысын алыңыз. Осы графтағы кез келген максималды тәуелсіз жиын әр үшбұрыштан бір төбе таңдап құралады. 3n/3 максималды кликасы бар толықтырушы граф – бұл Туран графының ерекше түрі; Ай мен Мозердің шегімен байланысы болғандықтан, бұл графтар кейде Ай Мозер графтары деп те аталады. Егер максималды тәуелсіз жиындардың мөлшерімен шектелсе, қатаң шектеулер мүмкін: кез келген n төбелі графта k мөлшерлі максималды тәуелсіз жиындардың саны ең көп. Осы шекке жететін графтар қайтадан Туран графтары болып табылады. Дегенмен, графтардың кейбір отбасыларында максималды тәуелсіз жиындардың немесе максималды кликалардың саны бойынша әлдеқайда қатаң шектеулер болуы мүмкін. Егер графтар отбасындағы барлық n төбелі графтардың O(n) жиегі болса және егер отбасы графтарының кез келген кіші графы да отбасыға жатса, онда отбасы графтарының әрқайсысында ең көп дегенде O(n) максималды кликасы болуы мүмкін, олардың барлығы O(1) мөлшерінде. Мысалы, бұл шарттар жазық графтар үшін орындалады: кез келген n төбелі жазық графтың ең көп дегенде 3n – 6 жиегі болады, ал жазық графтың кіші графы әрқашан жазық болады, содан әр жазық графтың O(n) максималды кликасы бар (мөлшері ең көп дегенде төрт). Интервалдық графтар мен хордалық графтарда да, тіпті әрқашан сирек графтар болмаса да, ең көп дегенде n максималды кликасы болады. n төбелі циклдық графтардағы максималды тәуелсіз жиындардың санын Перрин сандары, ал n төбелі жол графтарындағы максималды тәуелсіз жиындардың санын Падован тізбегі көрсетеді. Сондықтан, екі сан да 1.324718-нің дәрежелеріне пропорционалды, яғни пластикалық қатынас.
The graphs achieving this bound are again Turán graphs. Certain families of graphs may, however, have much more restrictive bounds on the numbers of maximal independent sets or maximal cliques. If all n vertex graphs in a family of graphs have O(n) edges, and if every subgraph of a graph in the family also belongs to the family, then each graph in the family can have at most O(n) maximal cliques, all of which have size O(1). For instance, these conditions are true for the planar graphs: every n vertex planar graph has at most 3n − 6 edges, and a subgraph of a planar graph is always planar, from which it follows that each planar graph has O(n) maximal cliques (of size at most four). Interval graphs and chordal graphs also have at most n maximal cliques, even though they are not always sparse graphs. The number of maximal independent sets in n vertex cycle graphs is given by the Perrin numbers, and the number of maximal independent sets in n vertex path graphs is given by the Padovan sequence. Therefore, both numbers are proportional to powers of 1.324718, the plastic ratio.
Барлық ең үлкен тәуелсіз жиынтықтарды тізімдеу
Графтағы барлық максималды тәуелсіз жиынтықтарды немесе максималды кликтерді тізімдеу алгоритмі көптеген NP-толық графтық мәселелерді шешу үшін қосалқы бағдарлама ретінде қолданылуы мүмкін. Ең айқын мысалы, ең үлкен тәуелсіз жиынтық мәселесінің, ең үлкен клика мәселесінің және ең кіші тәуелсіз үстемдік мәселесінің шешімдерінің бәрі максималды тәуелсіз жиынтықтар немесе максималды кликтер болуы керек, және оларды барлық максималды тәуелсіз жиынтықтарды немесе максималды кликтерді тізімдейтін және ең үлкен немесе ең кіші өлшемді сақтайтын алгоритм арқылы табуға болады. Сол сияқты, ең төменгі төбелік қаптаманы максималды тәуелсіз жиынтықтың бірінің толықтыруы ретінде табуға болады. Зерттеушілер максималды тәуелсіз жиынтықтарды тізімдеудің графтарды 3 түспен бояу үшін де пайда болатынын көрсетті: граф 3 түспен боялуы мүмкін, егер және тек егер оның максималды тәуелсіз жиынтықтарының бірінің толықтыруы екі бөлікті болса. Ол бұл тәсілді ғана емес, сонымен қатар жалпы графты бояу алгоритмінің бір бөлігі ретінде де қолданды, және басқа авторлар графты бояуға қатысты осыған ұқсас тәсілдерді жетілдірді. Басқа күрделі мәселелерді де белгілі бір типтегі кликаны немесе тәуелсіз жиынтықты табу ретінде модельдеуге болады. Бұл барлық максималды тәуелсіз жиынтықтарды (немесе, эквивалентті түрде, барлық максималды кликтерді) тиімді тізімдеудің алгоритмдік мәселесіне қызығушылық тудырады. Мун мен Мозердің максималды тәуелсіз жиынтықтар санына қатысты 3n/3 шекарасының дәлелін O(3n/3) уақытында барлық осындай жиынтықтарды тізімдейтін алгоритмге айналдыру оңай. Мүмкіндігінше ең көп максималды тәуелсіз жиынтықтары бар графтар үшін бұл алгоритм әрбір шығыс жиынтығы үшін тұрақты уақыт алады. Дегенмен, осы уақыт шегімен шектелген алгоритм тәуелсіз жиынтықтардың саны шектеулі графтар үшін өте тиімсіз болуы мүмкін. Сондықтан көптеген зерттеушілер әрбір шығыс жиынтығы үшін полиномиялық уақыт ішінде барлық максималды тәуелсіз жиынтықтарды тізімдейтін алгоритмдерді зерттеді. Максималды тәуелсіз жиынтықты табуға кеткен уақыт тығыз графтарда матрица көбейту үшін пропорционалды, ал әр түрлі сипаттағы сирек графтарда одан да жылдам.
Ең үлкен тәуелсіз жиынтықты санау
Максималды тәуелсіз жиынтықтарға қатысты санау мәселесі есептеу күрделілігі теориясында зерттелген. Мәселе мынадай: берілген бағытталмаған графтың қанша максималды тәуелсіз жиынтығы бар? Бұл мәселе кіріс екі бөлікті графқа шектелген жағдайда да #P қиындығын көрсетеді. Дегенмен, бұл мәселе графтардың кейбір нақты кластарында, мысалы кографтарда шешіледі.
Тарих
Максималды тәуелсіз жиынтық мәселесі бастапқыда лексикографиялық максималды тәуелсіз жиынтық P-толық екендігі дәлелденгендіктен, параллельдеуге қиын деп есептелді; алайда, максималды жиынтықты немесе максималды сәйкестік мәселесін қысқарту арқылы, немесе 2-қанағаттандыру мәселесін қысқарту арқылы детерминистік параллельді шешім табу мүмкіндігі көрсетілді. Әдетте, берілген алгоритмнің құрылымы басқа параллельді граф алгоритмдеріне ұқсас, яғни графты параллель түрде бірдей алгоритмді іске қосу арқылы шешілетін кішігірім жергілікті мәселелерге бөледі. Максималды тәуелсіз жиынтық мәселесін зерттеу PRAM моделінде басталды, және содан бері компьютерлік кластерлердегі таратылған алгоритмдер үшін нәтижелер алуға қарай кеңейді. Таратылған параллель алгоритмдерді жобалаудың көптеген қиындықтары максималды тәуелсіз жиынтық мәселесіне де қатысты. Атап айтқанда, графты бөлу және тәуелсіз жиынтықты біріктіру үшін тиімді орындалу уақытын қамтамасыз ететін және деректерді жеткізуде оңтайлы болатын алгоритмді табу қажет.
Күрделілік класы
1984 жылы Карп және авторлар көрсеткендей, PRAM-дағы детерминистік параллель шешім максималды тәуелсіз жиынға жатады, ол Nick's Class күрделілік зообағына кіреді. Яғни, олардың алгоритмі төбелік жиынтығының өлшемi болғанда максималды тәуелсіз жиынтықты табады. Сол мақалада процессорларды пайдалана отырып, уақыт ішінде орындалатын кездейсоқ параллель шешім де ұсынылды. Одан кейін Люби және Алон және авторлар тәуелсіз түрде осы нәтижені жақсартты, максималды тәуелсіз жиынтық мәселесін процессорларды пайдалана отырып, уақыт ішінде шешуге мүмкіндік берді, мұндағы - графтың қабырғаларының саны. Олардың алгоритмі классына жататынын көрсету үшін, бастапқыда процессорды пайдаланатын, бірақ қосымша процессормен кездейсоқтықтан құтылатын алгоритм ұсынды. Бүгінгі күні максималды тәуелсіз жиынтық мәселесінің классына жататыны ашық сұрақ болып қалады.
Байланыс және деректер алмасу
Бөлінген максималды тәуелсіз жиын алгоритмдері PRAM моделіндегі алгоритмдердің күшті ықпалында болады. Люби және Алон бастаған алғашқы жұмыстар бірнеше үлестірілген алгоритмдерді тудырды.