图论中,图带宽问题是用不同整数f(v_i)给图G的n个顶点v_i贴上标签,使得量\max\{\,| f(v_i) - f(v_j)| : v_iv_j \in E \,\}最小化的问题(其中E是G的边集)。
这问题可以形象理解为,将图的顶点置于沿x轴的不同整数点上,使最长边最短的问题。这种放置称作线性图排列(linear graph arrangement)、线性图布局(linear graph layout)或线性图放置(linear graph placement)。星图S_k = K_{k,1}是此公式的特例,k+1个顶点上的星图带宽为\varphi(S_{k}) = \lfloor (k-1)/2\rfloor+1。
2^n个顶点上的超立方图Q_n的带宽,确定为
:\varphi(Q_n)=\sum_{m=0}^{n-1} \binom{m}{\lfloor m/2\rfloor}.
Chvatálová证明,m\times n方格图P_m \times P_n(m、n个顶点上两个路径图之笛卡尔积)的带宽等于{\rm min}\{m,\ n\}。
界
图的带宽可用各种图参数约束。例如,令\chi(G)表示G的色数:
: \varphi(G) \ge \chi(G) - 1;
令{\rm diam}(G)表示G的直径,则有不等式:
:\lceil (n-1)/\operatorname{diam}(G) \rceil \le \varphi(G) \le n - \operatorname{diam}(G),
其中n是G中顶点数。
k带宽图G的径宽不大于k,其树深不大于k\log(n/k)。如上节所述,星图S_k作为结构非常简单的树,带宽相对较大。注意S_k的径宽为1,树深为2。
一些度有界图族具有亚线性带宽:证明,若T是最大度不大于∆的树,则
:\varphi(T) \le \frac{5n}{\log_\Delta n}.
更一般地说,对最大度不大于∆的平面图,类似约束也成立(参):
:\varphi(G) \le \frac{20n}{\log_\Delta n}.
计算带宽
加与不加权的两类带宽计算问题都是二次瓶颈分配问题的特例。
带宽问题是NP困难的,即便对特例也如此。众所周知,带宽在任何常数范围内的近似都是NP难的,对最大毛长为2的毛虫树也如此。
对稠密图,设计了一种3近似算法。
另一方面,我们也知道一些多项式可解的特例。Cuthill–McKee算法就是获得低带宽线图布局的启发式算法。图带宽计算的快速多层算法是在中提出的。
应用
对带宽问题的兴趣来自一些应用领域。
例如稀疏矩阵/带状矩阵处理与此领域的一般算法,如Cuthill–McKee算法,可用于寻找图带宽问题的近似解。
还有电子设计自动化。标准单元设计方法中,标准单元一般具有相同的高度,布局为若干行。这时,图带宽问题建模了将一组标准单元放置在单行中的问题,其目标是使最大传播延迟(假定与导线长度成正比)最小化。
另见
*割宽与径宽
参考文献
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外部链接
[http://www.csc.kth.se/~viggo/wwwcompendium/node53.html Minimum bandwidth problem] , in: Pierluigi Crescenzi and Viggo Kann (eds.), A compendium of NP optimization problems.* Accessed May 26, 2010.
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