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顶点覆盖算法


您是否想过交通摄像头的放置位置?如何高效地放置它们,又不浪费政府过多的预算?答案就在顶点覆盖算法中。摄像机的位置选择原则是,一个摄像机能够覆盖尽可能多的道路,也就是说,我们选择交叉路口并确保摄像机覆盖尽可能多的区域。

无向图 G = (V,E) 的 顶点覆盖 是图的顶点子集,对于图中的所有边 (u,v),u 和 v ∈ V。交叉路口被视为图的节点,道路被视为边。该算法寻找覆盖最多道路数量的最小交叉路口集。

这是一个最小化问题,因为我们找到的是顶点覆盖的最小大小——顶点覆盖的大小就是其中的顶点数。该优化问题是 NP 完全问题,因此无法在多项式时间内求解;但多项式时间内能找到的是近似最优解。

顶点覆盖算法

顶点覆盖近似算法以无向图为输入,执行后会得到一个顶点集,该集合的大小肯定是最优顶点覆盖的两倍。

顶点覆盖是一种二阶近似算法。

算法

步骤 1 − 从输入图中随机选择一条边,并标记与所选边对应的顶点相关的所有边。

步骤 2 − 将任意边的顶点添加到输出集合中。

步骤 3 −对图中剩余未标记的边重复步骤 1,并将选定的顶点添加到输出中,直到没有未标记的边。

步骤 4 − 最终获得的输出集将是接近最优的顶点覆盖。

伪代码

APPROX-VERTEX_COVER (G: Graph)
c ← { }
E’ ← E[G]
while E’ is not empty do
   Let (u, v) be an arbitrary edge of E’
   c ← c U {u, v}
   Remove from E’ every edge incident on either u or v
return c

示例

给定图的边集为 −

{(1,6),(1,2),(1,4),(2,3),(2,4),(6,7),(4,7),(7,8),(3,5),(8,5)}
Vertex_Cover_Problem

现在,我们先选择一条任意边 (1,6)。我们消除所有与顶点 1 或 6 相关的边,并添加边 (1,6) 进行覆盖。

arbitrary_edge

下一步,我们随机选择了另一条边 (2,3)。

chosen_another_edge

现在我们选择另一条边 (4,7)。

select_another_edge

我们选择另一条边 (8,5)。

另一条边 8 到 5

因此,该图的顶点覆盖为 {1,6,2,3,4,7,5,8}。

分析

容易看出,该算法的运行时间为 O(V + E),使用邻接表表示 E'。

实现

以下是上述方法在各种编程语言中的实现 −

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#define MAX_VERTICES 100
int graph[MAX_VERTICES][MAX_VERTICES];
bool included[MAX_VERTICES];
// 使用 APPROX-VERTEX_COVER 算法查找顶点覆盖的函数
void approxVertexCover(int vertices, int edges) {
   bool edgesRemaining[MAX_VERTICES][MAX_VERTICES];
   for (int i = 0; i < vertices; i++) {
      for (int j = 0; j < vertices; j++) {
         edgesRemaining[i][j] = graph[i][j];
      }
   }
   while (edges > 0) {
      int u, v;
      for (int i = 0; i < vertices; i++) {
         for (int j = 0; j < vertices; j++) {
            if (edgesRemaining[i][j]) {
               u = i;
               v = j;
               break;
            }
         }
      }
      included[u] = included[v] = true;
      for (int i = 0; i < vertices; i++) {
         edgesRemaining[u][i] = edgesRemaining[i][u] = false;
         edgesRemaining[v][i] = edgesRemaining[i][v] = false;
      }
      edges--;
   }
}
int main() {
   int vertices = 8;
   int edges = 10;
   int edgesData[10][2] = {
   {1, 6}, {1, 2}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4},
   {6, 7}, {4, 7}, {7, 8}, {3, 5}, {8, 5}};
   for (int i = 0; i < edges; i++) {
      int u = edgesData[i][0];
      int v = edgesData[i][1];
      graph[u][v] = graph[v][u] = 1;
   }
   approxVertexCover(vertices, edges);
   printf("Vertex Cover: ");
   for (int i = 1; i <= vertices; i++) {
      if (included[i]) {
         printf("%d ", i);
      }
   }
   printf("
");
   return 0;
}

输出

Vertex Cover: 1 3 4 5 6 7 
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
const int MAX_VERTICES = 100;
vector<vector<int>> graph(MAX_VERTICES, vector<int>(MAX_VERTICES, 0));
vector<bool> included(MAX_VERTICES, false);
// 使用 APPROX-VERTEX_COVER 算法查找顶点覆盖的函数
void approxVertexCover(int vertices, int edges) {
   vector<vector<bool>> edgesRemaining(vertices, vector<bool>(vertices, false));
   for (int i = 0; i < vertices; i++) {
      for (int j = 0; j < vertices; j++) {
         edgesRemaining[i][j] = graph[i][j];
      }
   }
   while (edges > 0) {
      int u, v;
      for (int i = 0; i < vertices; i++) {
         for (int j = 0; j < vertices; j++) {
            if (edgesRemaining[i][j]) {
               u = i;
               v = j;
               break;
            }
         }
      }
      included[u] = included[v] = true;
      for (int i = 0; i < vertices; i++) {
         edgesRemaining[u][i] = edgesRemaining[i][u] = false;
         edgesRemaining[v][i] = edgesRemaining[i][v] = false;
      }
      edges--;
   }
}
int main() {
   int vertices = 8;
   int edges = 10;
   int edgesData[10][2] = {
   {1, 6}, {1, 2}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4},
   {6, 7}, {4, 7}, {7, 8}, {3, 5}, {8, 5}};
   for (int i = 0; i < edges; i++) {
      int u = edgesData[i][0];
      int v = edgesData[i][1];
      graph[u][v] = graph[v][u] = 1;
   }
   approxVertexCover(vertices, edges);
   cout << "Vertex Cover: ";
   for (int i = 1; i <= vertices; i++) {
      if (included[i]) {
         cout << i << " ";
      }
   }
   cout << endl;
   return 0;
}

输出

Vertex Cover: 1 3 4 5 6 7 
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Main {
   static final int MAX_VERTICES = 100;
   static int[][] graph = new int[MAX_VERTICES][MAX_VERTICES];
   static boolean[] included = new boolean[MAX_VERTICES];
   public static void approx_vertex_cover(int vertices, int edges) {
      int[][] edges_remaining = new int[MAX_VERTICES][MAX_VERTICES];
      for (int i = 0; i < vertices; i++) {
         for (int j = 0; j < vertices; j++) {
            edges_remaining[i][j] = graph[i][j];
         }
      }
      while (edges > 0) {
         int u = 1, v = 1;
         for (int i = 0; i < vertices; i++) {
            for (int j = 0; j < vertices; j++) {
               if (edges_remaining[i][j] != 0) {
                  u = i;
                  v = j;
                  break;
               }
            }
         }
         included[u] = included[v] = true;
         for (int i = 0; i < vertices; i++) {
            edges_remaining[u][i] = edges_remaining[i][u] = 0;
            edges_remaining[v][i] = edges_remaining[i][v] = 0;
         }
         edges--;
    }
}
public static void main(String[] args) {
   int vertices = 8;
   int edges = 10;
   List<int[]> edges_data = new ArrayList<>();
   edges_data.add(new int[] {1, 6});
   edges_data.add(new int[] {1, 2});
   edges_data.add(new int[] {1, 4});
   edges_data.add(new int[] {2, 3});
   edges_data.add(new int[] {2, 4});
   edges_data.add(new int[] {6, 7});
   edges_data.add(new int[] {4, 7});
   edges_data.add(new int[] {7, 8});
   edges_data.add(new int[] {3, 5});
   edges_data.add(new int[] {8, 5});
   for (int[] edge : edges_data) {
      int u = edge[0];
      int v = edge[1];
      graph[u][v] = graph[v][u] = 1;
}
approx_vertex_cover(vertices, edges);
System.out.print("Vertex Cover: ");
for (int i = 1; i <= vertices; i++) {
   if (included[i]) {
      System.out.print(i + " ");
   }
}
System.out.println();
}
}

输出

Vertex Cover: 1 3 4 5 6 7 
MAX_VERTICES = 100
graph = [[0 for _ in range(MAX_VERTICES)] for _ in range(MAX_VERTICES)]
included = [False for _ in range(MAX_VERTICES)]
# 使用 APPROX-VERTEX_COVER 算法查找顶点覆盖的函数
def approx_vertex_cover(vertices, edges):
    edges_remaining = [row[:] for row in graph]
    while edges > 0:
        for i in range(vertices):
            for j in range(vertices):
                if edges_remaining[i][j]:
                    u = i
                    v = j
                    break
        included[u] = included[v] = True
        for i in range(vertices):
            edges_remaining[u][i] = edges_remaining[i][u] = False
            edges_remaining[v][i] = edges_remaining[i][v] = False
        edges -= 1
if __name__ == "__main__":
    vertices = 8
    edges = 10
    edges_data = [(1, 6), (1, 2), (1, 4), (2, 3), (2, 4),
                  (6, 7), (4, 7), (7, 8), (3, 5), (8, 5)]
    for u, v in edges_data:
        graph[u][v] = graph[v][u] = 1
    approx_vertex_cover(vertices, edges)
    print("Vertex Cover:", end=" ")
    for i in range(1, vertices + 1):
        if included[i]:
            print(i, end=" ")
    print()

输出

Vertex Cover: 1 3 4 5 6 7