Konig 定理(Konig's theorem)
/ KUR-nig /
在二分圖中,兩個自然的量朝相反方向拉扯。匹配是一組沒有共用端點的邊——你想要愈多愈好。頂點覆蓋是一組碰到每條邊的頂點——你想要愈少愈好。Konig 定理是個醒目的陳述:在任何二分圖中,這兩個最佳值相等:最大的匹配與最小的頂點覆蓋大小恰好相同。
形式上,二分圖中匹配的最大邊數等於頂點覆蓋的最小頂點數。一個方向容易:匹配的每條邊都需要自己的覆蓋頂點,故任何覆蓋至少和任何匹配一樣大,得 最小覆蓋 >= 最大匹配。反向(等號)才是重點,而最乾淨的證明走流。把最大二分圖匹配以單位容量建模成最大流;最大流最小割定理給出一個容量等於匹配大小的最小割,而把該割對照到二分結構上讀出來,就得到一個恰為該大小的頂點覆蓋。於是 最小頂點覆蓋 <= 最大匹配,兩者相會。因此 Konig 定理是匹配網路上最大流最小割的組合面貌。
Konig 定理之所以重要,是因為它是一個你能計算並利用的極小極大對偶:在二分圖中找一個最大匹配,同時就交給你一個最小頂點覆蓋(且由取補,得一個最大獨立集),全在多項式時間內。這很特別——最小頂點覆蓋在一般圖中是 NP 困難,而二分情形是少數可解的之一,正是因為這個定理。它也連到 Hall 定理:Konig 的等號正是讓 Hall 條件既必要又充分的原因。要記住的提醒:Konig 定理只對二分圖成立;在有奇環的圖中等號可能失效。
左 {a, b}、右 {x, y},邊 a-x、a-y、b-x。最大匹配大小為 2(例如 a-y 與 b-x)。也存在大小為 2 的頂點覆蓋:{a, x} 碰到全部三條邊。沒有單一頂點能覆蓋所有邊,故 最小覆蓋 = 2 = 最大匹配,正如 Konig 所保證。
在二分圖中最大匹配與最小頂點覆蓋重合——一次多項式計算同時得到兩者。
Konig 的等號是二分圖特有的。最小頂點覆蓋在一般圖中是 NP 困難;匹配等於覆蓋的對偶正是讓二分情形容易的原因,而一旦出現奇環它就失效。