Матроид

8884
знака
1
таблица
3
изображения
Введение

В алгоритмике играют важную роль жадные алгоритмы. Они просты для понимания и реализации, работают сравнительно быстро, известно много разнообразных задач, которые можно решить с помощью жадных алгоритмов. Однако не всегда можно доказать возможность применимости жадного алгоритма для нахождения точного решения многих задач. В данной статье будет рассмотрена теоретическая основа жадных алгоритмов — теория матроидов. При помощи нее можно довольно часто установить возможность применимости жадного алгоритма. Как потом выяснится, для этого необходимо, чтобы исследуемое множество являлось матроидом. Сначала будет дано определение матроида, а затем будут рассмотрены несколько стандартных задач, напрямую связанных с матроидами.

Матроид - классификация подмножеств некоторого множества, представляющая собой обобщение идеи независимости элементов, аналогично независимости элементов линейного пространства, на произвольное множество.

Аксиоматическое определение

Матроид — пара (X,I), где X — конечное множество, называемое носителем матроида, а I — некоторое подмножество множества всех подмножеств X, называемое семейством независимых множеств, то есть Матроид. При этом должны выполняться следующие условия:

МатроидМатроид

Если Матроид и Матроид, то Матроид

Если Матроид и мощность А больше мощности В, то существует Матроид такой, что Матроид

Базами матроида называются максимальные по включению независимые множества.

Определение в терминах правильного замыкания

Пусть Матроид - частично упорядоченное множество. Матроид - замыкание в Матроид, если:

Для любого х из Р: Матроид

Для любых х,у из Р: Матроид

Для любого х из Р: Матроид

Рассмотрим Матроид случай, когда частично упорядоченное множество – булева алгебра. Пусть Матроид- замыкание Матроид.

1. Замыкание правильно (аксиома правильного замыкания), если Матроид

2. Для любого Матроид существует такое Матроид, что

1. Матроид

2. Матроид

Пара Матроид, где Матроид- правильное замыкание на Матроид, называется матроидом.

Примеры

Универсальный матроид Матроид. Множество X имеет мощность n, независимыми множествами являются подмножества мощностью не больше k. Базы — подмножества мощностью k.

Графический матроид. Множество X — множество ребер графа, независимые множества — ациклические подмножества этих ребер. Базами являются остовные леса графа.

Матричный матроид. Семейство всех линейно независимых подмножеств любого конечного множества векторов произвольного непустого векторного пространства является матроидом.

Определим множество E, как множество состоящее из {1, 2, 3, .., n} — номеров столбцов некоторой матрицы, а множество I, как множество состоящее из подмножеств E, таких, что векторы, определяемые ими, являются линейно независимыми над полем вещественных чисел R. Зададимся вопросом — какими свойствами обладает построенное множество I?

1. Множество I непусто. Даже если исходное множество E было пусто — E = ∅, то I будет состоять из одного элемента — множества, содержащего пустое. I = { {∅} }.
2. Любое подмножество любого элемента множества I также будет элементом этого множества. Это свойство понятно — если некоторый набор векторов линейно независим над полем, то линейно независимым будет также любой его поднабор.
3. Если A, B ∈ I, причем |A| = |B| + 1, тогда существует элемент x ∈ B − A, такой что B ∪ {x} ∈ I.

Докажем, что в рассмотренном примере множество линейно независимых столбцов действительно является матроидом. Для этого достаточно доказать третье свойство из определения матроида. Проведем доказательство методом от противного.

Доказательство. Пусть Матроид и Матроид. Пусть W будет пространством векторов, охватываемым Матроид. Понятно, что его размерность будет не менее Матроид. Предположим, что Матроид будет линейно зависимо для всех Матроид (то есть третье свойство не будет выполняться). Тогда B образует базис в пространстве W. Из этого следует, что Матроид.Но так как по условию A и B состоят из линейно независимых векторов и Матроид, получаем противоречие. Такое множество векторов будет являться матроидом.

Дополнительные понятия

Двойственным данному матроиду называется матроид, носитель которого совпадает с носителем данного матроида, а базы — дополнения баз данного матроида до носителя. То есть X*=X, а множество баз двойственного матроида — это множество таких B*, что B*=XB, где B — база данного матроида.

Циклом в матроиде называется такое множество A⊂X, что A∉I, и для любого B⊂A, если B≠A, то B∈I

Рангом матроида называется мощность его баз. Ранг тривиального матроида равен нулю.

Матроид Фано

МатроидМатроиды с маленьким числом элементов часто изображают в виде диаграмм. Точки — это элементы основного множества, а кривые «протянуты» через каждую 3-ех елементную цепь (3-element circuit). Диаграмма показывает 3-ранговый матроид, называемый матроидом Фано, пример, который появился в 1935 в статье Уитни (Whitney).

Название возникло из того факта, что матроид Фано представляет собой проективную плоскость второго порядка, известная как плоскость Фано, чьё координатное поле — это двух-элементное поле. Это означает, что матроид Фано — это векторный матроид, связанный с семью ненулевыми векторами в трехмерном векторном пространстве над полем 2ух элементов.

Из проективной геометрии известно, что матроид Фано непредставим произвольным множеством векторов в вещественном или комплексном векторном пространстве (или в любом векторном пространстве над полем, чьи характеристики отличаются от 2).

Графовый матроид

Граф неориентированный и состоит из четырех вершин и семи ребер, одно из которых является петлей. Пусть E будет множеством, состоящих из ребер этого графа,Матроид, а I будет множеством подмножеств E, таких что каждый элемент I не содержит в себе циклов графа. Эта пара множеств E, I является матроидом, ее называют графовым матроидом и обозначают M(G).Матроид

Теорема

Пусть G — граф, а Матроид— его матрица инциденций. Если рассматривать Матроид как матрицу над полем {0,1}, где все операции выполняются по модулю 2, то тогда векторный матроид, построенный на Матроид, в качестве независимых множеств будет содержать множества ребер, не содержащих в себе циклов, и Матроид.

Доказательство. Необходимо доказать, что Матроид линейно зависим тогда и только тогда, когда X содержит цикл. Предположим, что X содержит в себе цикл C. Если C — это петля, то тогда в X будет содержаться нулевой вектор и он будет линейно зависимым. Если же C не петля, то каждая вершина в этом цикле будет соответствовать двум ребрам C и сумма векторов по модулю 2 будет нулевым вектором. Из-за чего X будет линейно зависимым.

Теперь предположим, что X линейно зависимый. Возьмем минимальное линейно зависимое подмножество D из X (то есть такое подмножество, что удаление из него любого элемента приводит к тому, что оно будет линейно независимым). Если D будет состоять из нулевого вектора, то тогда X содержит петлю и, соответственно, цикл.

Если D не содержит нулевого вектора: так как в поле {0,1} существует единственный ненулевой элемент — 1, то сумма векторов из D будет нулевым вектором, из-за того, что D — минимальное линейно зависимое подмножество. Из этого следует, что D содержит ребра из цикла, и если какой-то вершине инцидентно ребро из D, то существует как минимум еще одно ребро, инцидентное ей. Действительно, возьмем ребро Матроид и пусть вершины Матроид и Матроидсоответствуют этому ребру. Пусть вершине Матроидинцидентно еще какое-то ребро Матроид. Пусть вершина Матроид будет другим концом ребра Матроид. Продолжим этот процесс. В результате будут получены две последовательности — Матроид и Матроид. Так как количество вершин в D конечно, то какая-то из вершин v должна повториться. Когда это произойдет, то в D будет найден цикл. Соответственно цикл будет найден и в X.

Матроиды и комбинаторная оптимизация

Матроиды имеют широкое применение в задачах, связанных с комбинаторной оптимизацией, а также с задачами, решение которых основано на жадных алгоритмах.

Рассмотрим такую задачу: у менеджера есть m однодневных работ для одного человека Матроид. Также он располагает n рабочими, каждый из которых умеет выполнять какой-то поднабор работ. Менеджер хочет знать, какое максимальное количество работ способны выполнить его рабочие за один день. Как позже выяснится, это будет рангом некоего матроида.

Матроид

Пусть A — множество подмножеств некоего множества E. К примеру, пусть A=({1,2,4},{2,3,5,6},{5,6},{7}), при множестве E={1,2,3,4,5,6,7}. Подмножество E — Матроид называется частичным трансверсалем A, если есть взаимооднозначное соответствие Ф между {1,2,…,k} и {1,2,…,m}, причем Матроид для любых i. Если m = k, то такой частичный трансверсаль называется трансверсалем. Если взять множество {2,3,6,7}, то оно будет трансверсалем для A, как это видно из рисунка слева.

Теоремы

Все базы матроида имеют одинаковую мощность.

Матроид однозначно задается носителем и базами.

Цикл не может быть подмножеством другого цикла.

Если Матроид и Матроид — циклы, то для любого Матроид Матроид содержит цикл

Если B — база и x∉B, то B∪{x} содержит ровно один цикл.

Список литературы

1. Асанов М.О. и др. Дискретная математика: графы, матроиды, алгоритмы. — Ижевск: ННЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001. — С. 288.

2. Ковалев М.М. Матроиды в дискретной оптимизации. Изд.2, 2003. 224 с. 142


Информация о работе «Матроид»
Раздел: Математика
Количество знаков с пробелами: 8884
Количество таблиц: 1
Количество изображений: 3

Похожие работы

Скачать
8229
7
0

... игр. Далее мы покажем, что любая (n,k)-игра может быть рассмотрена, как игра на матроиде специального вида. Рассмотрим другой класс игр на матроидах, являющийся обобщением (n,k)-игр, и опишем NM-решения игр этого класса. 2. Решения игр на матроидах разбиений Пусть - конечное множество, - семейство его подмножеств, обладающее следующими свойствами:   Тогда пара называется матроидом. Множества ...

Скачать
28875
0
0

... алгебраическим оператором замыкания на А со свойством замещения. Обратно, любой алгебраический оператор замыкания на А со свойством замещения получается таким способом из некоторого транзитивного отношения зависимости Z на А. Доказательство: I.     Будем называть подмножество Т множества A замкнутым, если . Покажем сначала, что замкнутые подмножества образуют систему замыканий. Если , где  - ...

Скачать
8422
0
0

... меньше веса любого "неотрицательного". К примеру, теорему 4 можно интерпретировать так: S0 и SA не содержат ни одного из наименьших по весу элементов. 3. Оценки погрешности градиентного алгоритма Лемма 2. Пусть - произвольная система независимости, - весовая функция, допускающая отрицательные веса. Если при этом веса всех элементов SA неотрицательны, то справедлива оценка (2). Доказательство. ...

Скачать
58662
0
0

... среди математиков, его разделяли А.Н.Колмогоров, И.М.Гельфанд, В.И.Арнольд, С.П.Новиков и др. Нельзя не восхищаться естественностью и внутренней стройностью математической работ Л.В. по двойственности линейного программирования и их экономической интерпретацией. 2. О математической экономике как области математики и о некоторых ее связях А) Связи линейного программирования с функциональным и ...

0 комментариев


Наверх