
グラフ理論において、グラフGの支配集合とは、その頂点の部分集合Dであり、 Gのどの頂点もDに含まれるか、またはDに隣接頂点を持つような集合である。支配数γ( G )は、 Gの最小支配集合に含まれる頂点の数である。
支配集合問題は、与えられたグラフGと入力Kに対してγ( G ) ≤ Kであるかどうかをテストすることに関する問題であり、計算複雑性理論における古典的なNP 完全決定問題です。[ 1 ]したがって、すべてのグラフGに対してγ( G )を計算できる効率的なアルゴリズムは存在しないと考えられています。ただし、効率的な近似アルゴリズムや、特定のグラフクラスに対する効率的な厳密アルゴリズムは存在します。
支配集合は、いくつかの分野で実用的な関心を集めている。無線ネットワークにおいては、支配集合はアドホックモバイルネットワーク内で効率的な経路を見つけるために用いられる。また、文書要約や電力網向けのセキュアシステムの設計にも利用されている。
支配集合は独立集合と密接に関連しています。独立集合は、それが極大独立集合である場合に限り、支配集合でもあります。したがって、グラフ内の任意の極大独立集合は、必然的に最小支配集合でもあります。
無向グラフG = ( V , E )が与えられたとき、頂点のサブセットは、すべての頂点に対して、支配集合と呼ばれる。頂点がありますそのため。
すべてのグラフには少なくとも1つの支配集合が存在する。すべての頂点の集合を考えると、定義によりDは支配集合である。なぜなら頂点は存在しないからである。より興味深い課題は、小さな支配集合を見つけることである。Gの支配数は次のように定義される。 。
支配問題は1950年代以降研究されてきたが、支配に関する研究のペースは1970年代半ばに著しく増加した。1972年、リチャード・カープは集合被覆問題がNP完全であることを証明した。これは支配集合問題に直接的な影響を与えた。なぜなら、2つの問題の間には頂点から集合への、および辺から非交点交差への直接的な全単射が存在するからである。これにより、支配集合問題もNP完全であることが証明された。[ 2 ]
集合被覆問題はよく知られたNP困難問題であり、集合被覆の決定版はKarpの21のNP完全問題の1つでした。最小支配集合問題と集合被覆問題の間には、多項式時間L還元のペアが存在します。[ 3 ]これらの還元(下記参照)は、最小支配集合問題に対する効率的なアルゴリズムが集合被覆問題に対する効率的なアルゴリズムを提供し、その逆もまた同様であることを示しています。さらに、還元は近似比を保持します。任意のαに対して、最小支配集合に対する多項式時間α近似アルゴリズムは、集合被覆問題に対する多項式時間α近似アルゴリズムを提供し、その逆もまた同様です。実際、どちらの問題もLog-APX完全です。[ 4 ]
集合被覆の近似可能性もよく理解されています。単純な貪欲アルゴリズムを使用すれば対数近似係数を見つけることができますが、劣対数近似係数を見つけることはNP困難です。より具体的には、貪欲アルゴリズムは最小支配集合の1 + log | V |係数近似を提供し、 P = NPでない限り、多項式時間アルゴリズムでは、あるc > 0に対してc log | V |よりも優れた近似係数を達成することはできません。[ 5 ]
以下の2つの還元は、最小支配集合問題と集合被覆問題がL還元の下で等価であることを示している。一方の問題のインスタンスが与えられた場合、他方の問題の等価なインスタンスを構築することができる。[ 3 ]
グラフG = ( V , E )がV = {1, 2, ..., n }で与えられたとき、次のように集合被覆インスタンス( U , S )を構築します。全体集合UはVであり、部分集合の族はS = { S 1 , S 2 , ..., S n }で、S vはG内の頂点vとvに隣接するすべての頂点から構成されます。
ここで、DがGの支配集合である場合、C = { S v : v ∈ D }は集合被覆問題の実行可能解であり、| C | = | D |となります。逆に、C = { S v : v ∈ D }が集合被覆問題の実行可能解である場合、DはGの支配集合であり、| D | = | C |となります。
したがって、 Gの最小支配集合のサイズは、( U , S )の最小集合被覆のサイズと等しくなります。さらに、支配集合を同じサイズの集合被覆にマッピングし、またその逆も行う単純なアルゴリズムが存在します。特に、集合被覆に対する効率的なα 近似アルゴリズムは、最小支配集合に対する効率的なα 近似アルゴリズムを提供します。

( S , U )を、全体集合Uと部分集合の族S = { S i : i ∈ I }を持つ集合被覆問題のインスタンスとする。Uとインデックス集合Iは互いに素であると仮定する。次のようにグラフG = ( V , E )を構築する。頂点の集合はV = I ∪ Uであり、各ペアi , j ∈ Iの間にエッジ{ i , j } ∈ Eが存在し、各i ∈ Iとu ∈ S iの間にもエッジ{ i , u }が存在する。つまり、Gは分割グラフであり、Iはクリークであり、Uは独立集合である。
ここで、C = { S i : i ∈ D }が、ある部分集合D ⊆ Iの集合被覆問題の実行可能な解である場合、D はGの支配集合であり、| D | = | C |となります。まず、各u ∈ Uに対して、 u ∈ S iとなるi ∈ Dが存在し、構成上、uとiはGで隣接しています。したがって、 uはiによって支配されます。次に、D は空でない必要があるため、各i ∈ IはDの頂点に隣接しています。
逆に、D をGの支配集合とする。このとき、| X | ≤ | D |かつX ⊆ Iとなるような別の支配集合Xを構築することができる。各u ∈ D ∩ U をuの隣接i ∈ Iで置き換えるだけでよい。すると、C = { S i : i ∈ X }は集合被覆問題の実行可能な解となり、| C | = | X | ≤ | D |となる。

グラフの最大次数が Δ の場合、貪欲近似アルゴリズムは最小支配集合のO (log Δ)近似を見つけます。また、貪欲近似を使用して得られた支配集合の濃度をd gとすると、次の関係が成り立ちます。ここで、Nは与えられた無向グラフのノード数、Mはエッジ数である。[ 6 ]固定 Δ の場合、これはAPXメンバーシップの支配集合として適格であり、実際には APX 完全である。[ 7 ]
この問題には、単位円盤グラフや平面グラフなどの特殊なケースに対して多項式時間近似スキーム(PTAS)が適用可能です。[ 8 ]直並列グラフでは、最小支配集合を線形時間で見つけることができます。[ 9 ]
n頂点グラフの最小支配集合は、すべての頂点部分集合を調べることでO (2 n n )の時間で見つけることができます。Fomin 、Grandoni 、 Kratsch (2009)は、最小支配集合をO (1.5137 n )の時間で指数空間で、またO (1.5264 n )の時間で多項式空間で見つける方法を示しています。より高速なアルゴリズムは、O (1.5048 n ) の時間を使用するvan Rooij、Nederlof 、 van Dijk (2009)によって発見され、彼らはまた、この時間で最小支配集合の数を計算できることも示しています。最小支配集合の数は最大で1.7159 nであり、そのようなすべての集合はO (1.7159 n )の時間でリストできます 。[ 10 ]
サイズkの支配集合を見つけることは、パラメータ化複雑性の理論において中心的な役割を果たします。これはクラスW[2]に対して最もよく知られた完全な問題であり、他の問題の扱いにくさを示す多くの還元で使用されています。特に、この問題は固定パラメータ扱い可能ではありません。つまり、W 階層が FPT=W[2] に縮退しない限り、任意の関数fに対して実行時間f ( k ) n O(1)のアルゴリズムは存在しません。
一方、入力グラフが平面グラフの場合、問題はNP困難のままですが、固定パラメータアルゴリズムが知られています。実際、この問題はkに線形なサイズのカーネルを持ち、[ 11 ]カーネルの分岐分解に動的計画法を適用することで、√kに指数関数的、 nに3次的な実行時間を得ることができます。[ 12 ]より一般的には、支配集合問題とその多くの変種は、支配集合のサイズと最小の禁止完全二部グラフのサイズの両方でパラメータ化されると、固定パラメータ扱い可能になります。つまり、この問題は、平面グラフを含む非常に一般的な疎グラフのクラスである、バイクリークフリーグラフ上でFPTです。 [ 13 ]
支配集合の補集合である非遮断集合は、任意のグラフ上で固定パラメータアルゴリズムによって見つけることができる。[ 14 ]
独立支配集合とは、支配集合でありながら独立集合でもある集合、あるいは同等に、極大独立集合のことである。独立支配数はGの独立支配集合の最小サイズです。最小値はより少ない集合で取られるため、すべてのグラフGに対して、不等式は厳密なものになり得る。クローフリーグラフに対しては等号が成り立つ。[ 15 ]すべての線グラフはクローフリーであるため、任意のグラフの最小最大マッチングと最小エッジ支配セットは同じサイズになることがわかる。
グラフの独立支配集合は、すべての独立集合を支配する集合である。独立支配数すべての独立集合の中で最大値である。の最小の集合を支配する[ 16 ]独立集合のみを支配するには、すべての頂点を支配するよりも必要な頂点の数が少なくなる可能性があるため、すべてのグラフについて比率任意に大きくすることができる。[ 16 ]
連結支配集合とは、連結でもある支配集合のことです。は連結支配集合であり、の全域木を形成できる。その中では木の非葉頂点の集合を形成します。逆に、は、2 つ以上の頂点を持つグラフの全域木であり、その非葉頂点は連結支配集合を形成する。したがって、最小連結支配集合を見つけることは、可能な限り最大の葉を持つ全域木を見つけることと同等である。
全支配集合とは、グラフ内のすべての頂点(支配集合内の頂点自身を含む)が、支配集合内に隣接頂点を持つような頂点の集合である。[ 17 ]つまり、すべての頂点に対して、頂点がありますそのため上の図(c)は、連結支配集合かつ全支配集合である支配集合を示しています。図(a)と(b)の例はどちらでもありません。単純支配集合とは対照的に、全支配集合は存在しない場合があります。たとえば、1つ以上の頂点を持ち、辺を持たないグラフは、全支配集合を持ちません。全支配数は、 Gの全支配集合の最小サイズとして定義されます。明らかに、。
支配エッジ集合とは、その和集合が支配集合となるエッジ(頂点ペア)の集合のことです。このような集合は存在しない場合もあります(例えば、頂点が1つ以上あってエッジが全くないグラフには存在しません)。もし存在するならば、そのすべてのエッジの和集合は完全な支配集合となります。したがって、エッジ支配集合の最小サイズは少なくとも です。。
対照的に、辺支配集合は集合である辺の で、 に含まれないすべての辺少なくとも1つの辺に隣接している;そのような集合は常に存在する(例えば、すべての辺の集合は辺支配集合である)。
k支配集合とは、集合に含まれない各頂点が集合内に少なくともk 個の隣接頂点を持つような頂点の集合です (標準支配集合は 1 支配集合です)。同様に、kタプル支配集合とは、グラフ内の各頂点が集合内に少なくともk 個の隣接頂点を持つような頂点の集合です (全支配集合は 1 タプル支配集合です)。最小kタプル支配集合の(1 + log n )近似は多項式時間で見つけることができます。[ 18 ]すべてのグラフはk支配集合 (例えば、すべての頂点の集合) を持ちますが、最小次数がk − 1のグラフのみがkタプル支配集合を持ちます。ただし、グラフが k タプル支配集合を持つ場合でも、最小kタプル支配集合は同じグラフの最小 k 支配集合のほぼk倍の大きさになる可能性があります。 [ 19 ]最小k支配集合の(1.7 + log Δ)近似も多項式時間で見つけることができる。
分数支配集合は、分数支配関数、関数から定義される。すべての頂点に対して合計閉鎖された地域を越えて少なくとも 1 である。[ 20 ]分数支配数は、そのような関数の最小総重み(すべての頂点値の合計)であり、以下を満たす。.-通常のグラフ頂点()、分数支配数は。
スター支配集合は部分集合 であるのすべての頂点に対してでのスター(隣接するエッジのセット)) は、ある頂点の星と交差する明らかに、もし孤立頂点がある場合、スター支配集合は存在しません(孤立頂点のスターは空であるため)。孤立した頂点がない場合、すべての支配集合はスター支配集合であり、その逆もまた然りです。スター支配と通常の支配の区別は、それらの分数変種を考慮するとより顕著になります。[ 21 ]
ドマティック分割とは、頂点を互いに素な支配集合に分割することである。ドマティック数とは、ドマティック分割の最大サイズのことである。
永遠の支配集合は、頂点が支配的なセットにおいて選ばれて隣人と置き換えられる(は)修正されたは支配集合でもあり、このプロセスは任意の無限の頂点選択の列に対して繰り返すことができる。 。
効率的な支配集合(ed集合または独立完全支配集合とも呼ばれる[ 22 ])は、グラフのすべての頂点が集合内のちょうど1つの頂点によって支配されるという追加の性質を持つ支配集合である。[ 23 ]
ローマ支配集合は、ローマ支配関数によって定義され、各頂点に から値を割り当てます。0が割り当てられたすべての頂点は、2が割り当てられた少なくとも1つの頂点に隣接している。ローマ支配数は、そのようなすべての関数におけるすべての頂点値の合計の最小値です。この概念は、ローマ帝国の防御戦略にヒントを得ており、頂点は都市を表し、値は駐屯している軍団を表します。任意のグラフに対して、下限は空のグラフによってのみ達成される。[ 24 ]
グローバル支配集合とは、グラフの支配集合のことである。それは補グラフの支配集合でもある世界支配数は、グローバル支配集合の最小濃度です。同様に、支配集合はがグローバル支配集合であるのは、各頂点に対して が成り立つ場合のみである。頂点が存在するそのため隣接していません定義上、そしてグラフの場合と頂点、かつその場合に限りまたは[ 25 ]
認定支配集合とは、集合内のすべての頂点が、集合外に0個または少なくとも2個の隣接点を持つ支配集合のことである。[ 26 ]認定支配数は、認定された支配集合の最小サイズです。明らかに、、また、グラフに弱いサポート頂点がない場合(特に、)連結グラフの場合、。
グラフの対になった支配集合支配的な集合である誘導部分グラフとなるような頂点少なくとも1つの完全一致を含む。[ 27 ]ペア支配数は、ペアになった支配集合の最小濃度です。この概念は、グラフの頂点に警備員を配置してすべての頂点を支配(保護)する状況をモデル化しており、さらに各警備員にはバックアップとして隣接する別の警備員が割り当てられるという制約が加わっています。
その他のバリエーションには
{{citation}}: CS1 maint: postscript (リンク)。