Задача о числе паросочетаний

В Королевстве заклятых друзей залог счастливых отношений – это прежде всего крепкая дружба. Правда, дружеские связи возникают совершенно бессистемно; хорошо, если вам встретился подходящий партнер, но ведь не всем так везет!

Институтские исследователи вскоре поняли, что их база может принести пользу обществу, и решили с ее помощью повысить число удачных браков. На сайте института появилось объявление о наборе 200 волонтеров: по 100 мужчин и женщин гетеросексуальной ориентации. Волонтеры откликнулись очень быстро. Теперь ученым предстояло «поженить» как можно больше участников.

Сколько вариантов должен рассмотреть каждый участник? Первому мужчине потенциально подходят 100 женщин. Когда выбор сделан, у второго мужчины остается 99 вариантов, у третьего – 98, и так далее. Итого получается 100 умножить на 99 умножить на 98 умножить на… умножить на 2 умножить на 1 – величина, называемая факториалом числа 100 и записываемая в виде «100!». Факториал числа 100 состоит из 158 цифр и намного превосходит гугол – число, изображаемое единицей со ста нулями. Термин «гугол» изобрел девятилетний племянник математика Эдварда Казнера, когда тот попросил мальчика придумать числу название.

Название компании Google призвано отражать огромный объем информации, обрабатываемый поисковыми сереверами: это искажение от «гугол» (англ. «googol»). Впрочем, отражает оно этот объем, мягко говоря, некорректно. Интернет, конечно, большой, и измерить его точно не представляется возможным, однако объем содержащейся в нем информации и близко не подходит к гуголу, какими бы мелкими единицами мы его ни измеряли. Если мы даже составим вместе все когда-либо созданные нами компьютеры, то и тогда, вне всяких сомнений, не получим гугол (и уж тем более факториал числа сто).

Однако у ученых все же оставался шанс соединить как можно больше пар, т. е. найти максимальное число паросочетаний. Для этого просто нужно было воспользоваться специальным алгоритмом. На рисунке ниже представлены несколько пар друзей.

Рис. 3.2. Потенциальные пары в Королевстве

Рис. 3.3. Паросочетания (не максимальное число)

Посмотрим, каким образом можно из друзей составить романтические пары. Начнем с Артура и соединим его с Евой. Боб и Фелисити пока одиноки; соединим их, а также Карла с Гейл. На рис. 3.4 романтические связи обозначены пунктирной линией.

Рис. 3.4. Максимальное число паросочетаний

Теперь у нас не осталось пар друзей, в которых оба были бы свободны. Может, это означает, что мы составили максимальное паросочетание? А вот и нет.

У Дэвида нет пары, однако он дружит с Фелисити, которую мы сочетали с Бобом. Боб дружит с Гейл, но чету они не образуют. Гейл соединена с Карлом, а Карл дружит с одинокой Хелен. Разлучим Боба с Фелисити и Карла с Гейл и составим новые связи. Теперь пара есть у всех!

Вернемся к рис. 3.3. Цепь из чередующихся сплошных и пунктирных линий, первый и последний элемент которой не имеет пары, т. е. не принадлежит паросочетанию, называется увеличивающим путем. При наличии увеличивающего пути мы всегда можем увеличить наше паросочетание. В 1957 году математик Клод Берж показал, что для любого паросочетания, не являющегося максимальным, существует увеличивающий путь. Программисты Королевского технологического реализовали алгоритм нахождения увеличивающих путей, основанный на методе последовательного поиска, и в результате смогли подобрать пару для 98 процентов участников эксперимента.

Вскоре после описанных событий Королевский верховный суд вынес постановление, разрешающее однополые браки. На сайте института тут же вывесили объявление о наборе волонтеров любых сексуальных ориентаций. Схемы заметно усложнились; появились даже любовные треугольники, которые к тому же частично пересекались друг с другом (см. ниже).

Простыми методами находить увеличивающие пути уже не получалось, и исследователи обратились к трудам Джека Эдмондса. В 1965 году Эдмондс написал работу с изящным названием «Пути, деревья и цветы», в которой представил усложненный алгоритм поиска увеличивающих путей, подходящий для совершенно произвольных схем. Реализовав метод Эдмондса, специалисты института сумели подобрать пару для 97 процентов участников второго эксперимента.

«Пути, деревья и цветы» дали нам не только эффективный способ решения задачи о паросочетаниях для случая произвольной схемы. В группе из 100 человек алгоритм Эдмондса находит максимальное паросочетание примерно за 100⁴, т. е. 100000000 (сто миллионов) шагов, что для современного компьютера сущий пустяк. Методичный перебор всех возможных сочетаний вылился бы примерно в два квинвигинтиллиона шагов, а один квинвигинтиллион – это, между прочим, единица и 78 нулей! В работе Эдмондса есть довольно длинное отступление на тему эффективных алгоритмов. Понимая, что для такого, в сущности, интуитивного понятия, как эффективность, подобрать полноценное формальное определение очень сложно, Эдмондс все-таки предлагает некий критерий. Он называет алгоритм эффективным, если тот находит решение за «алгебраическое» время, т. е. время, «алгебраически» зависящее от размера входных данных. Для 100 человек это может быть, к примеру, 100⁴, 100² или 100¹². В дальнейшем класс задач, для которых существуют такие алгоритмы, получил обозначение «P» – от слова «полиномиальный», заменившего эдмондсовское понятие «алгебраический». Таким образом, класс P представляет собой все многообразие задач, которые можно решить относительно быстро. Ну что ж – в споре «P против NP» мы выслушали мнение первой стороны.

Рис. 3.5. Нетрадиционные потенциальные пары