精确覆盖问题

✍ dations ◷ 2025-04-02 13:01:48 #理论计算机科学,NP完全问题

在一个全集X中若干子集的集合为S,精确覆盖是指,S的子集S*,满足X中的每一个元素在S*中恰好出现一次。

在计算机科学中,精确覆盖问题指找出这样的一种覆盖,或证明其不存在。这是一个NP-完全问题,也是卡普的二十一个NP-完全问题之一。

满足以下条件的集合为一个精确覆盖:

合二为一,即X中的元素在S*中出现恰好一次。

S {\displaystyle {\mathcal {S}}} , , , } 是集合 = {1, 2, 3, 4}的一个子集的集合,并满足:

其中一个子集 {, } 是 的一个精确覆盖,因为 = {1, 3} 而 = {2, 4} 的并集恰好是 = {1, 2, 3, 4}。同理, {, , } 也是 .的一个精确覆盖。空集并不影响结论。

通常我们用S的每个子集与X的元素之间包含关系的二元关系来表示精确覆盖问题。

包含关系可以用一个关系矩阵表示。. 矩阵每行表示S的一个子集,每列表示X中的一个元素。矩阵行列交点元素为1表示对应的元素在对应的集合中,不在则为0.

通过这种矩阵表示法,求一个精确覆盖转化为求矩阵的若干个行的集合,使每列有且仅有一个1。同时,该问题也是精确覆盖的典型例题之一。

下图为其中一个例子:

S* = {, , } 便是一个精确覆盖。

包含关系也可以用一个二分图表示。

二分图左侧每个节点表示S的每个集合,右侧每个节点表示X的每个元素,而精确覆盖便是一种匹配,满足右侧的每个点恰好有一条边。

Exact-cover-bigraphExact-cover-bigraph-solved

X算法是高德纳提出的解决该问题的算法,而舞蹈链算法(Dancing Links,DLX)算法是X算法在计算机上的一种高效实现。

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