Perfekte Matchings

Definition

Gegeben sei ein Graph G=(V,E)G = (V, E) und eine Menge UVU \subseteq V. Ein Matching wird UU-überdeckend genannt, falls jedes Element uUu \in U einen Matchingpartner in MM besitzt:

vV:{u,v}M,uU\exists v \in V: \{u, v\} \in M, \forall u \in U

Definition

Ein VV-überdeckendes Matching MM in einem Graphen G=(V,E)G = (V, E) wird auch perfekt genannt. Dies ist genau dann der Fall, wenn 2M=V.2 \cdot \left| M \right| = \left| V \right|.

Insbesondere in bipartiten Graphen , mit Partition V=L ˙RV = L ~\dot{\cup} R, ist dies äquivalent zu M=L=R.\left| M \right| = \left| L \right| = \left| R \right|.

Beispiele:

Beobachtung

Perfekte Matchings sind immer (kardinalitäts-)maximal.

Dies ist offensichtlich der Fall, denn die Kanten eines Matchings sind paarweise nicht zueiander inzident. Also gilt für jedes Matching MM in Graph G=(V,E)G = (V, E) folgende Obergrenze: MV2\left| M \right| \leq \frac{\left| V \right|}{2}. Per Definition befinden sich perfekte Matchings an genau dieser Grenze.\Box

Anmerkung: Zwar sind perfekte Matchings immer kardinalitätsmaximal, aber anders herum gilt dies nicht unbedingt: Auch wenn kein perfektes Matching existiert, ein kardinalitätsmaximales Matching existiert trotzdem.

Perfekte Matchings in bipartiten Graphen

Satz von Hall (Heiratssatz)

Satz

Gegeben sei ein bipartiter Graph G=(L ˙ R,E)G = (L ~\dot{\cup}~ R, E).

Sei N(S)N(S) die Nachbarschaft der Menge SS, also alle Knoten, welche adjazent zu mindestens einem Knoten in SS sind.

Es existiert genau dann ein LL-überdeckendes Matching in GG, falls SN(S),SL\left| S \right| \leq \left| N(S) \right|, \forall S \subseteq L gilt.

Analog können die Mengen LL und RR vertauscht werden, um eine notwendige und hinreichende Bedingung zu erhalten, wann ein RR-überdeckendes Matching existiert.

Falls L=R\left| L \right| = \left| R \right|, kann der Heiratssatz dafür verwendet werden, die Existenz eines perfekten Matchings zu beweisen oder zu widerlegen:

Soll die Existenz belegt werden, muss bewiesen werden, dass die Kardinalität der Nachbarschaft jeder Teilmenge von LL mindestens gleich groß ist wie die der Teilmenge selbst.

Soll die Existenz widerlegt werden, reicht es ein Gegenbeispiel zu finden, also eine Teilmenge, deren Kardinalität kleiner ist als die der Nachbarschaft.