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第四章树与拟阵
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拟阵“Matroid”是矩阵Matrix的衍生词。拟阵概念是whitney在1935年提出来的,它
是向量空间中线性独立性质的抽象,拟阵中所用的若干术语多半来自于代数和图论。
在上个世纪40年代,R.Rado将拟阵理论应用到组合数学中的“代表系”问题,从而推
广了P.Hall的著名“Marriage定理”,大约与此同时,R.F.Dil■■rth建立了拟阵与格
论之间的联系。这样一来,拟阵就成为组合数学中的一个分支。大约20世纪60年代中期,
W.T.Tutle从图论观点较详细地研究了拟阵的一些基本性质。给出了多种类型的拟阵的
例子。1975年R.Von.Randow综合了几种不同的公理系统,并证明了它们之间的等价
性质。此后拟阵理论已广泛应用到图论、格论、投影几何、电网络和开关理论等方面。
J.Edmonds和E.lowler等把拟阵理论应用于离散最优化问题,给出了求一个拟阵的最
大权独立集和两个拟陈最大权交的算法,从而把离散最优化中若干问题给出了统一描述和统
一的算法。
本章从网络中最优树和最优树形图出发,介绍了它们的求解方法,并由此引出拟阵的定
义、性质以及求拟阵的最大权独立集和两个拟阵最大权交的算法。由于拟阵是一种抽象的系
统,所以在介绍这些概念时,尽量用比较直观的网络结构和向量空间的向量相关性等加以说
明,因此,读者需要具备图论的基本知识,如果需要可查阅文献(徐利治主编现代数学手
册,计算机数学圈P405-468,2000年)
4.1树的基本性质
一个图G=(V,E)若G连通且不含圈,则称G为一棵树。设T=(V,E)是几个顶点的图,
则下述诸结论等价:
1)T是一棵树。
2)T有n-1条边且无圈。
3)T有n-1条边且连通。
4)T连通,但去掉T中任一条边后,则剩下的图就不连通了。
5)T中任何一对顶点间有唯一一条路。
6)T无圈,但在T中增加任何一条边,则有唯一一个圈。
以上是关于树的一些等价的定义,其证明留做练习。
设G=(V,E)是一个具有n个顶点和m条边的简单图,T=(U,E′)是G的一个子图(即
U⊆⊆
V,E′E),若U=V,则称T是G的生成子图,若G的生成子图T是一棵树,则称T
是G的生成树。显然,若G连通则G总有生成树。设T是G的一棵生成树,那么从T中去
掉任何一条边[p,q],则由性质(4)知T被分为两部分T和T,记G中一个端点在T里另一
pqp
ΩΩ
个端点在T里的所有边之集合为(p,q),则称(p,q)为关于树T的一个基本割。由于G
q
有n个顶点,而T就有n-1条边,所以关于T的基本割有n-1个。
另一方面,由G有m条边,那么G中不在其生成树里的边之数目为m-n+1,故根据
性质6,对G中任何一条不在其生成树T里的边[p,q],将[p,q]加到T中,则T+[p,q]
有唯一一个圈C(p,q),称C(p,q)是关于T的基本圈,显然共有m-n+1个基本圈。
令边集E(e,e,…,e),对G的每一个圈C,可用一个m维的(c,1)向量表示,即
12m
(c)(c)(c)T
X=(x,x,L,x),其中
c12m
1,若eC
⎧∈
x(c)=⎨i
i0,否则