Цепи и антицепи в частично-упорядоченном множестве. Теорема Дилворта. Алгоритм разбиения частично-упорядоченного множества на минимальное число цепей.

Пусть частично упорядоченное множество (сокращенно: ЧУМ). Это значит, что задано некоторое подмножество такое, что выполнены следующие условия: для всякого обязательно (это, так называемая, рефлексивность); если и , то обязательно (это, так называемая, транзитивность); если и , то обязательно (это, так называемая, антисимметричность). Само множество называется частичным порядком. На одном и том же множестве может быть много частичных порядков.

Если частичный порядок таков, что для любых двух элементов либо либо , то говорят, что множество является цепью; если же частичный порядок таков, что для любых различных ни одно из включений - , - не выполняется, то говорят, что является антицепью. Очевидно, что если - ЧУМ, то и любое подмножество в является частично-упорядоченным. По определению по-лагают, что всякое одноэлементное подмножество является одновременно и цепью и анти-цепью.

Рассмотрим пример. Пусть (это означает, что элемента-ми множества являются наборы указанных натуральных чисел). Определим частичный по-рядок , объявив, что , если . Нетрудно проверить, что это - действительно частичный порядоок. В этом частичном порядке - цепь, а - анти-цепь.

Существует классическая задача: разбить ЧУМ на минимальное число цепей. Это значит надо найти в цепи такие, что у любых двух из них нет общих элементов, что их объединение совпадает с и при всем при этом число минимально возможное. Имеется по этому поводу классическая теорема Дилворта, утверждающая следующее:

минимальное число цепей, на которые можно разбить данное частично упорядоченное множество, равно максимальному числу элементов, составляющих антицепь.

Мы приведем сейчас алгоритм, позволяющий отыскать одно из возможных минималь-ных цепных разбиений ЧУМа, т.е. найти набор попарно неперсекающихся цепей , объ-единение которых совпадает с и при этом миниально возможное.

Для удобства мы будем в будущем выражать тот факт, что в ЧУМе сим-волом или просто , причем если к тому же , то будем писать .

Итак, пусть - ЧУМ; требуется найти минимальное цепное разбиение.

Шаг 0. Построим двудольный граф следующим образом. Положим ; это означает, что в графе будет ровно вершин. Далее, ребра в графе будут иметь лишь следующий вид: , причем тогда и только тогда, когда .

Шаг 1. Выберем в построенном графе G наибольшее паросочетание . Для каждого ребра фиксируем пару элементов , составляющих, естественно, цепь, так как по определению ребер в G обязательно .

Шаг 2. Многократно используя свойство транзитивности частичного порядка, объеди-ним двухэлементные цепи из предыдущего шага в неудлиняемые цепи. В результате получится некоторый набор цепей в данном множестве, причем, как нетрудно проверить, эти це-пи попарно общих элементов не имеют. Добавив к этому списку цепей одноэлементные цепи, полученные из всех элементов данного множества, не вошедших в объединение , мы получим некоторое цепное разбиение данного множества . Можно доказать, что это цепное разбиение минимально.

ПРИМЕР. Пусть множество состоит из следующих наборов чисел (каждый набор заключен в круглые скобки):

Æ (пустое множество; это - тоже лемент из );

(1), (2), (3), (4), (1,2), (1,3), (1,4), (2,3), (2,4), (3,4), (1,2,3), (1,2,4), (1,3,4), (2,3,4), (1,2,3,4).

Частичный порядок на будет считаться по включению: тогда и только тог-да, когда .

Найдем минимальное цепное разбиение этого множества. Вначале построим двудольный граф для данной задачи. Вот его матрица:

 

 

 

Найдем наибольшее паросочетание:

 

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

10 11110

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

14 4

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

15 5

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

16 6

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

-

 

Следовательно, наибольшее паросочетание таково:

.

Отсюда - первые «двуэлементные цепочки»:

Используя транзитивность частичного порядка, склеим некоторые из этих цепочек:

 

 

Поскольку не осталось элементов данного множества вне указанных цепей, этот набор цепей и является минимальным цепным разбиением.