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顶点覆盖算法
你有没有想过交通摄像头的摆放位置?以及它们如何在不浪费政府过多预算的情况下高效地放置?答案以**顶点覆盖算法**的形式出现。摄像头的放置位置以一种方式选择,即一个摄像头覆盖尽可能多的道路,也就是说,我们选择路口并确保摄像头覆盖尽可能大的区域。
无向图**G = (V,E)**的**顶点覆盖**是指图的顶点子集,使得对于图中的所有边**(u,v)**,**u 和 v ∈ V**。路口被视为图的节点,道路被视为边。该算法找到覆盖最大数量道路的最小路口集。
这是一个最小化问题,因为我们找到顶点覆盖的最小大小——顶点覆盖的大小是其中的顶点数。优化问题是一个NP完全问题,因此不能在多项式时间内解决;但可以在多项式时间内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作为输入,并执行以获得一组顶点,该顶点的数量肯定是不小于最优顶点覆盖的两倍。
顶点覆盖是一个2-近似算法。
算法
**步骤1** - 从输入图中选择任意一条边,并标记与该边对应的顶点相关联的所有边。
**步骤2** - 将任意边的顶点添加到输出集中。
**步骤3** - 对图中剩余的未标记边重复步骤1,并将选择的顶点添加到输出中,直到没有未标记的边。
**步骤4** - 最终得到的输出集将是近似最优的顶点覆盖。
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)}
现在,我们从选择任意边(1,6)开始。我们消去所有与顶点1或6相关联的边,并将边(1,6)添加到覆盖中。
在下一步中,我们随机选择了另一条边(2,3)。
现在我们选择另一条边(4,7)。
我们选择另一条边(8,5)。
因此,该图的顶点覆盖为{1,6,2,3,4,7,5,8}。
分析
很容易看出该算法的运行时间为O(V + E),使用邻接表来表示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];
// Function to find Vertex Cover using the APPROX-VERTEX_COVER algorithm
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("\n");
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);
// Function to find Vertex Cover using the APPROX-VERTEX_COVER algorithm
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)]
# Function to find Vertex Cover using the APPROX-VERTEX_COVER algorithm
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
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