§ 17. Двойственный матроид
Пусть
М
=
(Е,
β)
—
матроид с множеством баз β.
Для
произвольного XE
положим
=
Е\Х.
Если
В
β,
то множество
назовем
кобазой
матроида
М.
Пусть
β*
= {
:
В
β}-
множество всех кобаз.
Теорема 17.1. Множество β* удовлетворяет аксиомам баз B.1 и В`.2.
> Справедливость
условия В.1 очевидна, рассмотрим условие
В`.2. Пусть
1
и
2
— две
кобазы, х
1\
2.
Нужно
доказать существование в
2\
1
такого
элемента y, что
A=(
1\x)
y
β*
(1)
Так
как х
В1,
то
согласно следствию 16.7 множество В1
х
содержит
цикл С.
Поскольку
цикл не может содержаться в базе, то
существует уС∩
2.
Так
как xB2,
то
у
≠ х. Следовательно,
уВ1.
Итак,
у
2\
1.
Теперь
докажем, что верно (1). С этой целью
рассмотрим множество
={В1
x)\y.
В
силу следствия 16.7 С
является
единственным циклом, содержащимся в
В1
х.
Поэтому
не
содержит циклов и, следовательно,
является
независимым множеством. Далее |
|=
|B1|,
так что
—база
и потому А
—
кобаза. <
Из предыдущей теоремы вытекает, что пара (Е, β*) является матроидом с множеством баз β*. Этот матроид называется двойственным к матроиду М и обозначается через М*. Очевидно, что М** = М.
Зависимое (независимое) множество элементов матроида М* называется козависимым (конезависимым) в М. Цикл матроида М* называется коциклом матроида М. Ранговая функция матроида М* называется коранговой функцией матроида М и обозначается через ρ *. Очевидно, что ρ *(М)= |Е| - ρ (М).
Поскольку кобазы, коциклы и т. д. являются базами, циклами и т. д. двойственного матроида, то для любого утверждения о циклах, базах и т. д. матроида существует аналогичное двойственное утверждение о двойственных объектах — коциклах, кобазах и т. д. Если одно из этих утверждений верно для всех матроидов, то верно и двойственное утверждение.
Очевидно, что в терминах кобаз можно следующим образом определить зависимые множества.
Утверждение 17.2. Произвольное подмножество элементов матроида является зависимым тогда и только тогда, когда оно имеет непустое пересечение с каждой кобазой.
Теорема 17.3. Непустое подмножество X элементов матроида является циклом тогда и только тогда, когда оно удовлетворяет следующим двум условиям:
|Х ∩ С| ≠ 1 для каждого коцикла С;
X — минимальное относительно включения непустое подмножество, удовлетворяющее условию 1).
Доказательство этой теоремы основано на следующих двух леммах.
Лемма 17.4. Для любого непустого независимого подмножества X элементов матроида существует такой коцикл С, что |Х ∩ С| = 1.
> Множество
X
содержится
в некоторой базе В.
Пусть
xX.
В силу следствия 16.7 множество
х
содержит
некоторый коцикл С.
Очевидно,
что С
∩
В
— {х} =
= С∩
X.
<
Лемма 17.5. Для всякого цикла X и любого коцикла С матроида верно соотношение |Х∩С| ≠ 1.
Пусть, напротив, Х ∩ С = {х}. Согласно утверждению 17.2 коцикл С — минимальное подмножество в Е, имеющее непустое пересечение с каждой базой. Следовательно,
—
максимальное подмножество в Е,
не
содержащее баз, и потому
х
содержит
некоторую базу
.
Множество
Х\х
независимо
и содержится в
х.
Из
аксиомы I.2
теперь получаем, что существует база
D,
удовлетворяющая
условию Х\х
D
х.
Но
не
содержит баз, поэтому xD,
XD.
Последнее
противоречит аксиоме I.1.
<
Доказательство теоремы 17.3. Необходимость. Пусть X — цикл. Тогда на основании леммы 17.5 |Х ∩ С| ≠ 1 для каждого коцикла С. Любое подмножество из X независимо и, в силу леммы 17.4, не удовлетворяет условию 1).
Достаточность. Пусть X — непустое подмножество элементов матроида, удовлетворяющее условиям 1) и 2). Согласно лемме 17.4 множество X зависимо. Все его собственные подмножества не удовлетворяют условию 1) и независимы в силу леммы 17.5. <
