Konig定理
這是圖論中很重要的一個定理,於1913年 由匈牙利數學家柯尼希(D.Konig)首先陳述此定理。
定理的內容是:在0-1矩陣中,1的最大獨立集合最小覆蓋包含的元素個數相同,等價地,二分圖中的最大匹配數等於這個圖中的最小點覆蓋數。
證明
假如我們已經通過匈牙利算法求出了最大匹配(假設它等於M),下面給出的方法可以告訴我們,選哪M個點可以覆蓋所有的邊。
匈牙利算法需要我們從右邊的某個沒有匹配的點,走出一條使得“一條沒被匹配、一條已經匹配過,再下一條又沒匹配這樣交替地出現”的路(交錯軌,增廣路)。但是,現在我們已經找到了最大匹配,已經不存在這樣的路了。換句話說,我們能尋找到很多可能的增廣路,但最後都以找不到“終點是還沒有匹配過的點”而失敗。我們給所有這樣的點打上記號:從右邊的所有沒有匹配過的點出發,按照增廣路的“交替出現”的要求可以走到的所有點(最後走出的路徑是很多條不完整的增廣路)。那么這些點組成了最小覆蓋點集。
首先,為什麼這樣得到的點集點的個數恰好有M個呢?答案很簡單,因為每個點都是某個匹配邊的其中一個端點。如果右邊的哪個點是沒有匹配過的,那么它早就當成起點被標記了;如果左邊的哪個點是沒有匹配過的,那就走不到它那裡去(否則就找到了一條完整的增廣路)。而一個匹配邊又不可能左端點是標記了的,同時右端點是沒標記的(不然的話右邊的點就可以經過這條邊到達了)。因此,最後我們圈起來的點與匹配邊一一對應。
其次,為什麼這樣得到的點集可以覆蓋所有的邊呢?答案同樣簡單。不可能存在某一條邊,它的左端點是沒有標記的,而右端點是有標記的。原因如下:如果這條邊不屬於我們的匹配邊,那么左端點就可以通過這條邊到達(從而得到標記);如果這條邊屬於我們的匹配邊,那么右端點不可能是一條路徑的起點,於是它的標記只能是從這條邊的左端點過來的(想想匹配的定義),左端點就應該有標記。
最後,為什麼這是最小的點覆蓋集呢?這當然是最小的,不可能有比M還小的點覆蓋集了,因為要覆蓋這M條匹配邊至少就需要M個點(再次回到匹配的定義)。
對兩側添加源匯點後可以從最小割最大流的角度理解。
在原圖上對所有的邊的左結點和右結點連一條容量無窮大的流(從左結點到右結點),然後再添加源匯頂點,對源點到每個左頂點添加容量為1的流,對每個右頂點到匯點添加容量為1的流。
易知,最大流即為最大匹配數。
我們來研究所有的割,我們將所有左頂點劃為A1,A2兩部分,右頂點劃為B1,B2兩部分,並研究從S並A1並B2到T並A2並B1這個割的最小取法(這個劃分方式包含了所有可能的割),如若左頂點P到右頂點Q有邊,那么最小割中顯然不會有“P屬於A1且Q屬於B1”成立(否則就這一條邊割出來就是無窮大,肯定不是最小割),於是最小割中所有的邊PQ必滿足“P屬於A2或Q屬於B2”,換句話說,A2,B2中所有頂點組成這個二分圖的一個點集覆蓋。
下面觀察,我們易知,再最小割中,總的割必然等於S到A2的+B2到T的(這些是最小割中所有可能的邊了)。而S到A2+B2到T就是A2,B2中所有頂點的個數總和,所以最小割就是滿足題意(A2並B2構成最小點集覆蓋)的A2並B2中頂點最少的情況,亦即最小點集覆蓋,於是乎:
最大匹配數=最大流=最小割=最小點集覆蓋