4. Задача о наименьшем покрытии
Пусть А — транспонированная матрица смежности графа
с единичными диагональными элементами. Задача определения наименьшего доминирующего множества графа
эквивалентна задаче нахождения такого наименьшего множества столбцов в матрице А, что каждая строка матрицы содержит единицу хотя бы в одном из выбранных столбцов. Эта последняя задача о поиске наименьшего множества столбцов, «покрывающих» все строки, изучалась довольно интенсивно под названием задачи о наименьшем покрытии (ЗНП).
В общей ЗНП матрица, состоящая из
и 1, не обязательно является квадратной. Кроме того, каждому столбцу
(в нашем случае каждой вершине
сопоставляется некоторая стоимость
и требуется выбрать покрытие (или, в другой терминологии — для случая графов — доминирующее множество вершин) с наименьшей общей стоимостью. Поскольку задача построения наименьшего доминирующего множества вершин является весьма частной задачей о покрытии с
для всех
то на первый взгляд кажется, что нахождение такого множества осуществляется на деле значительно проще, чем решение общей ЗНП. Однако это, вообще говоря, не так. Поэтому в данном разделе мы начнем с решения общей ЗНП.
4.1. Постановка задачи
ЗНП своим названием обязана следующей теоретико-множественной интерпретации. Даны множество
и семейство
множеств
Любое подсемейство
семейства
, такое, что
называется покрытием множества
а множества
называются покрывающими множествами. Если в дополнение к соотношению (3.12) удовлетворяет условию
т. е. множества
попарно не пересекаются, то
называется разбиением множества
Если каждому
поставлена в соответствие (положительная) стоимость
то ЗНП формулируется так: найти покрытие множества
имеющее наименьшую стоимость, причем стоимость семейства —
определяется как
Аналогично формулируется и задача о наименьшем разбиении (ЗНР).
В матричной форме, упомянутой ранее, когда строки
-матрицы
состоящей из нулей и единиц, покрываются столбцами, ЗНП может быть сформулирована как задача линейного программирования:
при ограничениях
где
и
Для ЗНР неравенства (3.14) обращаются в равенства