Az alábbi konstrukciókban szereplő matroidok mind úgy állnak elő, hogy megadunk egy bizonyos halmazrendszert, és egy részhalmazt akkor deklará-lunk függetlennek, ha a rendszer minden tagjából legfeljebb egy előre adott számú elemet tartalmaz.
2.7. Matroidok halmazrendszerekből és gráfokból 103
2.7.1. Partíciós matroid és rokonai
Teljes és üres matroid
Akkor beszélünkteljesvagyszabadmatroidról, ha minden részhalmaz füg-getlen, míg az üres vagy triviális matroidban az üres halmaz az egyetlen független halmaz.
Uniform matroid
Legyen azS halmaznelemű éskegy egész szám, amelyre0≤k≤n. Álljon F az S összes legfeljebb k elemű részhalmazából. Könnyen ellenőrizhetően mindhárom axióma fennáll. A kapott matroidotuniform matroidnak hív-ják ésUn,k-val jelölik. EgyX halmaz rangjar(X) = min{|X|, k}. A teljes és az üres matroid nyilván speciális uniform matroidok.
Partíciós matroid
Legyen{S1, . . . , St} azS alaphalmaz partíciója, és legyenekg1, . . . , gt nem-negatív egészek. EgyI halmazt deklaráljunk függetlennek, ha|I∩Si| ≤ gi mindeni-re. Az axiómákat ismét könnyű ellenőrizni : a kapott matroid neve partíciós matroid. A t = 1esetben visszajutunk az uniform matroidhoz, másrészt egy partíciós matroid uniform matroidok direkt összege. A partíciós matroid rangfüggvényer(X) :=P
i[min{gi,|X∩Si|}].
27. Gyakorlat. Igazoljuk, hogy egyZ⊆S halmaz akkor és csak akkor zárt, ha mindeni= 1, . . . , t-re vagySi⊆Z vagy|Z∩Si|< gi.
28. Gyakorlat. Egy irányított gráf éleinek egy részhalmazát deklaráljuk füg-getlennek, ha minden pontba legfeljebb egy belépő élt tartalmaz. Igazoljuk, hogy ez matroidot határoz meg.
A továbbiakban a partíciós matroid különféle általánosításait tekintjük át.
Lamináris matroid
A partíciós matroid fogalma általánosítható. Egy{S1, . . . , St} halmazcsalád-ról akkor mondjuk, hogy lamináris, ha bármely két tagja vagy diszjunkt, vagy az egyik tartalmazza a másikat.
85. Feladat. Igazoljuk, hogy ha {S1, S2, ..., St} halmazrendszer lamináris, akkor az
I:={I:|I∩Si| ≤gi, i= 1, . . . , t} (2.18) halmazrendszer kielégíti a függetlenségi axiómákat.
Az így definiált matroidotlamináris matroidnak nevezzük.
29. Gyakorlat. Határozzuk meg a lamináris matroid rangfüggvényét.
Általánosított partíciós matroid
A partíciós matroidok egy más irányú általánosítása a következő. Legyen {S1, . . . , St} az S alaphalmaz partíciója. Adottak a g1, . . . , gt, valamint az f1, . . . , ftnemnegatív egészek (0≤fi≤gi≤ |Si|) és még egykegész.
86. Feladat. Igazoljuk, hogy aB:={X:|X|=k, fi≤ |Si∩X| ≤giminden i = 1, . . . , t-re} halmazrendszer, amennyiben nemüres, kielégíti a bázisaxió-mákat.
A kapott matroid neve általánosított partíciós matroid. Az fi :≡ 0 és k := P
imin{gi,|Si|} speciális esetben visszajutunk a partíciós matroid fogalmához.
87. Feladat. Akkor és csak akkor létezik olyankeleműB halmaz, amelyre (i)|Si∩B| ≤gi (i= 1, . . . , t), haP
igi≥k, (ii)|Si∩B| ≥fi (i= 1, . . . , t),ha P
ifi ≤k,
(iii)fi ≤ |Si∩B| ≤gi (i= 1, . . . , t),ha külön-külön létezik (i)-t kielégítő és (ii)-t kielégítő halmaz, azaz haP
ifi≤k≤P
igi.
2.7.1. Tétel. Egy F halmaz akkor és csak akkor független az általánosított partíciós matroidban, ha Bizonyítás. HaF független, akkor létezik egy B bázis, amely magában fog-lalja. Ekkor|F∩Si| ≤ |B∩Si| ≤giésP
imax{fi,|F∩Si|} ≤P
imax{fi,|B∩
∩Si|}=P
i|B∩Si|=|B|=k, vagyis a feltételek valóban szükségesek.
Tegyük most fel, hogy egyF halmaz teljesíti a feltételeket. Be kell látnunk, hogy benne van valamely bázisban. Ezt elég olyanF halmazokra igazolni, me-lyek maximálisak abban az értelemben, hogy már nem bővíthetők a feltételek megsértése nélkül. Azt látjuk be, hogy egy ilyenF halmaz bázis.
A (2.19) feltevés miatt |F∩Si| ≤gi teljesül. Belátjuk, hogy |F∩Si| ≥
≥fiis fennáll mindeni-re. Valóban, ha valamelyjindexre ez nem teljesülne, akkorSj−F egy elemétF-hez véve a keletkező F0-re max{fj,|F0∩Sj|}=
2.7. Matroidok halmazrendszerekből és gráfokból 105 akkorP
igi≥kmiatt az egyik Sj halmazra|F∩Sj|< gj teljesülne, és így létezne egys∈Sj−Felem, és ezzelF-et ki lehetne bővíteni a (2.19) és (2.20) feltételek megsértése nélkül, ellentmondásbanF maximális választásával.
Az alábbiakban olyan konstrukciók szerepelnek, amelyek (di)gráfok páro-sításaival és útrendszereivel kapcsolatos matroidokat eredményeznek.
2.7.2. Transzverzális matroidok és deltoidok
Először vizsgáljuk meg, hogy páros gráfok ponthalmazán milyen matroido-kat készíthetünk. LegyenG= (S, T;E)páros gráf. Egy I ⊆S részhalmazt párosíthatónak mondunk, ha létezikG-ben egy olyan párosítás, amely fedi azIelemeit. (AGéleinek egyXrészhalmazátpárosításnak nevezik, ha min-den pontot legfeljebb egyX-beli él fed. Ha pontosan egy,teljes párosításról beszélünk.)
2.7.2. Tétel. EgyG= (S, T;E)páros gráfban azSpárosítható részhalmazai matroidot alkotnak.
Bizonyítás. (Vázlat) Az első két axióma triviálisan teljesül. (I3) pedig követ-kezik a közismert alternáló utas módszerből, amely egy páros gráf bármely nem teljes P párosításához megkonstruál egy olyan nagyobb P0 párosítást, amelyre azS-ben fedett pontok halmaza bővebb, mint aPáltal fedetteké.
A 2.7.2 tételben szereplő matroidottranszverzális matroidnak nevezik.
A név eredete a következő. Legyen T :={A1, A2, . . . , At} az S alaphalmaz részhalmazainak tetszőleges családja. Azt mondjuk, hogy az I ⊆ S halmaz résztranszverzális, ha I minden x eleméhez hozzá lehet rendelni egy x-et tartalmazóAi halmazt úgy, hogy minden halmazt legfeljebb egy elemhez rendeljük.
Rendeljünk a szóbanforgó részhalmazrendszerhez egyGT := (S, T;E) pá-ros gráfot, ahol|T|=t, aT elemei az Ai halmazoknak felelnek meg, és egy Ai halmaznak megfeleltetettti pont akkor szomszédos azs∈S ponttal, ha s ∈ Ai. A definícióból rögtön látszik, hogy T résztranszverzálisai és az S párosítható részhalmazai ugyanazok. Ezért a résztranszverzálisok kielégítik a függetlenségi axiómákat.
A transzverzális matroid még egy ekvivalens módon bevezethető. Legyen (S,T) egy hipergráf. Hiperélek egy F részhalmazát reprezentálhatónak mondunk, ha F-nek minden tagjából kiválasztható annak egy pontja úgy, hogy különböző hiperélből különböző pontot választunk. (A Hall-tétel alapján ez pontosan akkor lehetséges, ha F-ből bárhogyan kivéve j hiperélt, ezek egyesítése legalábbj elemű).
2.7.1. Következmény. AT alaphalmazon a reprezentálható részhipergráfok egy matroid független halmazait alkotják.
30. Gyakorlat. Igazoljuk a2.7.1következményt, majd mutassuk meg, hogy a következmény is implikálja a 2.7.2 tételt.
88. Feladat.Igazoljuk, hogy a négypontú teljes gráf körmatroidja nem transz-verzális matroid.
A Kőnig-tételből, illetve a vele ekvivalens deficites alakból rögtön kiolvas-ható a transzverzális matroid rangfüggvénye.
2.7.3. Tétel. AG= (S, T;E)páros gráf által azShalmazon definiált transz-verzális matroid rangfüggvénye a következő.
r(S0) = min{|S0−X|+|Γ(X)|:X ⊆S0}. (2.21) Párosítások segítségével egyG= (S, T;E)páros gráf teljesS∪T ponthal-mazán is definiálhatunk matroidot, éspedig a bázisaival. Álljon B az S∪T alaphalmaz azon|S|elemű részhalmazaiból, amelyek azShalmaz és valamely párosítás ponthalmazának szimmetrikus differenciájaként állnak elő.
89. Feladat. Igazoljuk, hogy az előbbi definíció egy matroid bázisait adja.
Az így nyert matroidot aG= (S, T;E)páros gráfS bázisú deltoidjának nevezzük. Egy deltoid duálisa is deltoid, hiszen azSbázisú, illetve aTbázisú deltoidok egymás duálisai. Az is nyilvánvaló, hogy azS-en definiált transzver-zális matroid aT bázisú deltoid részmatroidja. Másrészt azS bázisú deltoid könnyen látható módon a {Γ(s) +s : s∈ S} halmazrendszer által definiált transzverzális matroid (aholΓ(s)azspontG-beli szomszédainak a halmaza).
2.7.2. Következmény. Egy matroid pontosan akkor transzverzális, ha egy deltoid részmatroidja.
Emlékeztetünk a páros gráfok Mendelsohn-Dulmage tulajdonságára : 2.7.4. Lemma. Ha a G= (S, T;E) páros gráf pontjainak egy X ⊆S hal-maza és egyY ⊆T halmaza külön-külön fedhető egy-egy párosítással, akkor létezikX∪Y-t fedő párosítás is.
Bizonyítás. LegyenMXegyX-et fedő, mígMY egyY-t fedő maximális (azaz ν(G)) elemszámú párosítás olyan, hogy|MX∩MY|maximális. EkkorMX =
= MY, mert különben az MX ∪MY halmaz tartalmazna egy C alternáló kört, és így azMXelemeitCmentén kicserélve a kapottMX0 olyanX-et fedő ν(G)elemszámú párosítás volna, melyre|MX0 ∩MY|>|MX∩MY|.Ezért az MX =MY párosítás fediX∪Y-t.
2.7. Matroidok halmazrendszerekből és gráfokból 107 90. Feladat. Igazoljuk, hogy egytrangú transzverzális matroid azS halma-zon mindig megadható egy olyan(S, T;E)páros gráf által definiált transzver-zális matroidként, amelyben|T|=t.
2.7.3. Következmény. A G= (S, T;E) páros gráf által az S-en, illetve a T-n definiált transzverzális matroidok direkt összegében egy halmaz pontosan akkor független, ha fedhetőGegy párosításával.
Ezek szerint egy páros gráf pontjainak azon részhalmazai, melyek fedhe-tők párosítással, egy matroidot alkotnak. Valójában ez a konstrukció minden gráfra átvihető.
2.7.3. Párosítás-matroid
Legyen G = (V, E) egyszerű, irányítatlan gráf. G párosítás matroidja a V ponthalmazon van definiálva úgy, hogy csúcsoknak egyU részhalmaza akkor tartozzékF-hez, ha létezik G-ben olyan párosítás, amely U minden pontját fedi. A(V,F)párról mindjárt belátjuk, hogy matroid, aG gráf párosítás-matroidja.
2.7.5. Tétel. A fent definiált(V,F) pár matroidot alkot.
Bizonyítás. Az (I1) és (I2) axióma a definícióból rögtön adódik. Jelöljeν a gráf legnagyobb párosításának elemszámát. Az (I3000) axiómához először fi-gyeljük meg, hogy haM ésM0párosítások, melyekre|M0|<|M|=ν, akkor a két párosítás szimmetrikus differenciájának egyik komponense szükségképpen egy olyanP alternáló út, amely kétM0által fedetlen pontot köt össze. Így az M0⊕P párosítás által fedett csúcsok halmaza bővebb (két elemmel), mint az M0 által fedetteké. Ebből rögtön adódik, hogy a nem bővíthető függetlenek elemszáma ugyanaz :2ν.
Az (I3000) axióma második feléhez igazolnunk kell, hogy egy 2ν −1 ele-műK és egy2ν eleműN független halmaz eseténK függetlenné bővíthető N−K-ból. Léteznek MK és MN párosítások, melyek fedik K-t, illetve N-t. Az elemszámok miatt szükségképpen mindkét párosítás maximális, ezért MK-nak van olyanuveleme, amelyreu∈K, v6∈K. EkkorK+v független, így hav∈N, akkor kész is vagyunk. Hav6∈N, akkor legyenP az a maxi-mális alternáló út, amelynek egyik végpontjav. AzMN maximalitása miatt P másik, y-nal jelölt végpontjaN −K-ban van. Így aP ⊕MK szimmetri-kus differencia egy olyan (maximális) párosítás, amelynek végponthalmaza K+y.
91. Feladat.Igazoljuk, hogy egyG= (S, T;E)páros gráf párosítás-matroidja aGáltal azS-en, illetve aT-n definiált transzverzális matroidok direkt össze-ge.
Figyeljük meg, hogy a feladatban megfogalmazott állítás nem más, mint a Mendelsohn-Dulmage tulajdonság (miszerint, ha azX ⊆S és azY ⊆T hal-mazok külön-külön fedhetők egy-egy párosítással, akkor egyetlen párosítással is fedhetők).
2.7.4. Gammoidok
A transzverzális matroidok egy más irányú általánosítását kaphatjuk irányí-tott gráfok segítségével. LegyenD= (V, A)irányított gráf ésT ⊆V a csúcsok egy részhalmaza.X, Y ⊆V esetén azt mondjuk, hogyX elvezethetőazY -hoz, ha|X|=|Y|és létezik|X|darab (esetleg egypontú) diszjunkt irányított útX-bőlY-ba.
2.7.6. Tétel. AV azon részhalmazai, amelyekhez aT valamely részhalmaza elvezethető egy matroidot alkotnak, éspedig egy transzverzális matroid duáli-sát.
Bizonyítás. LegyenV0ésV00aV, illetve aV−T halmazok egy-egy példánya.
Azzal a jelölési konvencióval élünk, hogy egyV-belivelem vagyXrészhalmaz V0-beli megfelelőjétv0-vel, illetveX0-vel jelöljük, míg egy V −T-beliv elem vagyX részhalmazV00-beli megfelelőjétv00-vel, illetve X00-vel. Készítsünk el egyG0 = (V0, V00;E)páros gráfot, amelyben azu0 ∈V0 ésv00 ∈V00 csúcsok akkor vannak éllel összekötve, ha u=v vagy ha uv éle D-nek. Tekintsük a G0 általV0-n definiáltM0 transzverzális matroidot.
2.7.4. Állítás. Egy B0 ⊆V0 halmaz pontosan akkor bázisa M0-nek, ha T elvezethető aV −B halmazhoz.
Bizonyítás. Legyen először B0 az M0 egy bázisa és P egy olyan párosítás, amely fedi B0-t. A konstrukció miatt |B| =|V −T|. Tetszőlegesv0 ∈V0 −
−B0 ponthoz aP párosítás segítségével megkonstruálhatunk D-ben egyT -ből induló és v-ben végződő utat, a következőképpen. Ha v0 ∈ T0, úgy az út álljon az egyetlen v pontból. Tegyük fel, hogy v0 6∈ T0. Miután P fedi V00-t, av00 pontot fedi párosításél, melynek másik,v10 végpontja olyan, hogy vagyv1 benne vanT-ben, vagy ha nincs, akkor v100-t fedi párosításél. Ezt az eljárást ismételve valóban egy utat definiálunkT egy pontjábólv-be. Könnyű ellenőrizni, hogy aV0−B0 különböző pontjaihoz így definiált utak páronként diszjunktakD-ben, tehátT valóban elvezethető V −B-hez.
Megfordítva, tekintsünk egy |T| darab diszjunkt útból álló rendszert D-ben, amely aThalmazt valamelyX ⊆V halmazhoz vezeti. TekintsükG0azon éleit, melyek az útrendszer éleinek felelnek meg, együtt az olyanv0v00típusú élekkel, melyekrev ∈ V −T nincs egyik úton sem. Könnyen ellenőrizhető, hogy így a páros gráfnak egy olyanV00-t fedő M0 párosítását kapjuk, amely
2.8. Matroidok összege és metszete 109