ขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ

ขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ (อังกฤษ: Hopcroft–Karp algorithm) เป็นขั้นตอนวิธี ที่มีข้อมูลนำเข้าเป็นกราฟสองส่วน และมีผลลัพธ์เป็นจำนวนการจับคู่ที่มากที่สุด นั่นคือเซ็ตของเส้นเชื่อมที่มากที่สุดที่เป็นไปได้โดยที่ไม่มีเส้นเชื่อมสองเส้นที่ต่างกันใด ๆ เชื่อมไปยังจุดเดียวกัน ใช้เวลาในการทำงานเป็น  ในกรณีแย่สุด, โดย  คือ สัญกรณ์โอใหญ่,  คือ จำนวนของเส้นเชื่อมในกราฟ, และ  คือจำนวนจุดในกราฟ สำหรับกราฟซับซ้อน ใช้เวลาในการทำงานเป็น  และสำหรับกราฟแบบสุ่ม ใช้เวลาในการทำงานเป็นเชิงเส้น
ขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พคิดค้นโดยจอห์น ฮอปครอฟท์และริชาร์ด คาร์พ เป็นขั้นตอนวิธีสำหรับการจับคู่เช่นเดียวกับขั้นตอนวิธีฮังกาเรียนและเอ็ดมอนส์ (1993) ขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พทำโดยการเพิ่มขนาดของการจับคู่ซ้ำ ๆ โดยการหาวิถีแต่งเติม ใช้การวนซ้ำ  รอบ โดนหลักการเดียวกันนี้ยังใช้พัฒนาขั้นตอนวิธีที่ซับซ้อนขึ้นสำหรับการจับคู่ในกราฟที่ไม่ใช่กราฟสองส่วน โดยใช้เวลาในการทำงานเหมือนกับขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ

วิถีแต่งเติม

แนวคิดพื้นฐานของขั้นตอนวิธีนี้ขึ้นอยู่กับวิถีแต่งเติม
จุดอิสระ คือ จุดที่ไม่เชื่อมต่อกับเส้นเชื่อมใด ๆ ในการจับคู่ 
วิถีแต่งเติม คือ วิถีที่เริ่มต้นจากจุดอิสระไปยังจุดอิสระ โดยวิถีนี้ จะผ่านเส้นเชื่อมทั้งที่มีการจับคู่อยู่แล้วและยังไม่มีการจับคู่สลับกันไป
 คือ ขนาดของการจับคู่ 
 คือ วิถีแต่งเติมที่สัมพันธ์กับ 
จะได้ว่า ผลต่างสมมาตรของเซ็ตของเส้นเชื่อม  ทำให้เกิดการจับคู่ที่มีขนาด  ดังนั้น จะใช้วิถีแต่งเติมเพื่อขยายขนาดของการจับคู่ได้
ในทางกลับกัน สมมติว่าการจับคู่  ไม่ใช่วิธีที่ดีที่สุด ให้ผลต่างสมมาตร  โดย  คือการจับคู่ที่ดีที่สุด จะได้  คือวิถีแต่งเติมหลายๆวิถีที่ไม่ต่อเนื่องกัน และจำนวนวิถีใน  เท่ากับความแตกต่างของขนาดของ  และ  ดังนั้น จะหยุดขั้นตอนวิธีนี้และจะได้การจับคู่  ที่ดีที่สุดเมื่อไม่สามารถหาวิถีแต่งเติมได้
วิถีแต่งเติมในปัญหาการจับคู่ มีลักษณะคล้ายกับวิถีแต่งเติมในปัญหาการไหลมากสุด นั่นคือวิถีแต่งเติมจะเพิ่มขนาดของการไหล โดยสามารถเปลี่ยนแปลงปัญหาการจับคู่กราฟสองส่วนเป็นปัญหาการไหลมากสุดได้ เช่น การเปลี่ยนวิถีทดแทนในปัญหาการจับคู่เป็นวิถีแต่งเติมในปัญหาการไหล การนำเทคนิคที่ใช้ในขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ ไปใช้ในข่ายงานการไหล รู้จักกันในชื่อขั้นตอนวิธีของดีนิซ

วิเคราะห์การทำงาน

แต่ละวัฏภาคประกอบด้วยการค้นหาตามแนวกว้างหนึ่งครั้งและการค้นหาตามแนวลึกหนึ่งครั้ง ดังนั้นในวัฏภาคหนึ่งๆจะใช้เวลาเชิงเส้น เพราะฉะนั้น สำหรับ  วัฏภาคแรก ในกราฟที่มี  จุด และ เส้นเชื่อม จะใช้เวลาทั้งหมด 
โดยแสดงได้ว่า ในทุกๆวัฏภาค ความยาวของวิถีแต่งเติมที่สั้นที่สุดจะมีการเพิ่มความยาวขึ้นเสมอ นั่นคือ ในแต่ละวัฏภาค วิถีแต่งเติมอื่นๆที่เหลืออยู่ต้องมีความยาวมากกว่าความยาวปัจจุบันเสมอ เพราะฉะนั้นเมื่อ  วัฏภาคแรกในขั้นตอนวิธีสิ้นสุดลง วิถีแต่งเติมที่สั้นที่สุดจะมีเส้นเชื่อมอย่างน้อย  เส้นเชื่อม อย่างไรก็ตามผลต่างสมมาตรระหว่างการจับคู่ที่ดีที่สุดและการจับคู่  ที่ได้มาจากแต่ละวัฏภาค จะก่อให้เกิดวิถีแต่งเติมหลายๆวิถีที่ไม่ต่อเนื่องกัน นั่นคือ ถ้าแต่ละวิถีในเซ็ตมีความยาวอย่างน้อยเท่ากับ  แล้ว จะมีวิถีได้อย่างมากที่สุดจำนวน  วิถี และขนาดของการจับคู่ที่ดีที่สุดจะมีความแตกต่างจากขนาดของ  ได้อย่างมากเท่ากับ  เส้นเชื่อม และเนื่องจากว่าทุกวัฏภาคของขั้นตอนวิธีนี้จะมีการเพิ่มขนาดของการจับคู่เสมอ ดังนั้นก่อนที่ขั้นตอนวิธีจะสิ้นสุด จะมีวัฏภาคเพิ่มได้อย่างมากที่สุดอีกจำนวน  วัฏภาค
จะได้ว่า ขั้นตอนวิธีนี้มีการทำงานอย่างมากที่สุด  วัฏภาค ดังนั้น จะได้เวลาทั้งหมดในการทำงานคือ  สำหรับกรณีแย่สุด
อย่างไรก็ตาม ในหลายๆกรณี เวลาที่ใช้โดยขั้นตอนวิธีนี้อาจจะเร็วกว่าในการวิเคราะห์กรณีแย่สุด เช่น ในกรณีเฉลี่ยสำหรับกราฟกระจายสองส่วนแบบกราฟสุ่ม Bast et al. (2006) ได้แสดงว่า ในการจับคู่ที่ไม่ใช่การจับคู่ที่ดีที่สุด วิถีแต่งเติมที่ได้มีโอกาสสูงที่จะมีความยาวเป็นลอการิทึม (พัตนาจากผลของ Motwani (1994)) ดังนั้น สำหรับกราฟเหล่านี้ ขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ จะมี  วัฏภาคและจะมีเวลาในการทำงานเท่ากับ

เปรียบเทียบกับขั้นตอนวิธีจับคู่กราฟสองส่วนอื่นๆ

สำหรับกราฟกระจายขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ เป็นขั้นตอนวิธีที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดในกรณีแย่สุด แต่สำหรับกราฟซับซ้อนขั้นตอนวิธีโดย Alt et al. (1991) สามารถทำงานได้ดีกว่าเล็กน้อย คือ  โดยเป็นขั้นตอนวิธีที่มีพื้นฐานจากขั้นตอนวิธีการไหลมากสุดดัน-ติดป้ายซ้ำซึ่งหลังจากการจับคู่โดยขั้นตอนวิธีนี้แล้วจะสลับมาใช้วิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ
มีผู้ทดลองเปรียบเทียบขั้นตอนวิธีจับคู่กราฟสองส่วน ผลลัพธ์ที่ได้ปรากฏว่าขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พไม่ดีเหมือนกับในทฤษฎี เมื่อเทียบกับแผนการทางกว้างและแผนการทางลึกเพื่อหาวิถีแต่งเติม และเทคนิกดัน-ติดป้ายซ้ำ

กราฟที่ไม่ใช่กราฟสองส่วน

การหาจำนวนสมาชิกจับคู่มากสุดในกราฟที่ไม่ใช่กราฟสองส่วน สามารถใช้แนวคิดเดียวกับการหาจำนวนมากสุดของวิถีแต่งเติมที่สั้นที่สุดได้ ดังนั้นจะได้ขั้นตอนวิธีที่มี  วัฏภาค อย่างไรก็ตาม สำหรับกราฟที่ไม่ใช่กราฟสองส่วน การหาวิถีแต่งเติมในแต่ละวัฏภาคทำได้ยากและช้ากว่า Micali & Vazirani (1980) ได้แสดงถึงขั้นตอนวิธีในแต่ละวัฏภาคโดยใช้เวลาเชิงเส้นในกราฟที่ไม่ใช่กราฟสองส่วน ซึ่งใช้เวลาเท่ากับขั้นตอนวิธีฮอปครอฟท์-คาร์พ แต่เทคนิกที่ไมคาไล-วาซิรานีใช้นั้นมีความซับซ้อนและยังไม่ได้รับการพิสูจน์อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังมีขั้นตอนวิธีที่อื่น ๆ อีก

รหัสเทียม

1 /*
 2   G = G₁ ∪ G₂ ∪ {จุดว่าง}
 3   G₁ และ G₂ คือส่วนย่อยในกราฟสองส่วน และ จุดว่าง เป็นจุดพิเศษ
 4 */
 5
 6 ฟังก์ชัน ค้นหาตามแนวกว้าง()
 7     สำหรับทุกๆจุด v ใน G₁
 8         ถ้า คู่ของ v เท่ากับ จุดว่าง
 9             กำหนด ระยะทางของ v เป็น 0
10             เพิ่ม v ลงในแถวคอย
11         ไม่เช่นนั้น
12             กำหนด ระยะทางของ v เป็น ∞
13     กำหนด ระยะทางของ จุดว่าง เป็น ∞
14     ในขณะที่ แถวคอยไม่ว่าง
15         กำหนด v เป็น จุดหน้าสุดของแถวคอย และนำจุดหน้าสุดของแถวคอยออกไป
16         สำหรับทุกๆจุด u ที่มีเส้นเชื่อมกับ v
17             ถ้า ระยะทางของคู่ของ u เท่ากับ ∞
18                 กำหนด ระยะทางของคู่ของ u เป็น ระยะทางของ v + 1
29                 เพิ่ม คู่ของ u ลงในแถวคอย
20     คืนค่า ระยะทางของจุดว่างเท่ากับ ∞ ใช่หรือไม่
21
22 ฟังก์ชัน ค้นหาตามแนวลึก (v)
23     ถ้า v ไม่เท่ากับ จุดว่าง
24         สำหรับทุกๆจุด u ที่มีเส้นเชื่อมกับ v
25             ถ้า ระยะทางของคู่ของ u เท่ากับ ระยะทางของ v + 1
26                 ถ้า ค้นหาตามแนวลึก(คู่ของ u) เป็นจริง
27                     กำหนด คู่ของ u เป็น v
28                     กำหนด คู่ของ v เป็น u
39                     คืนค่า จริง
30         กำหนด ระยะทางของ v เป็น ∞
31         คืนค่า เท็จ
32     คืนค่า จริง
33
34 ฟังก์ชัน ฮอปครอฟท์-คาร์พ
35     สำหรับทุกๆจุด v ใน G
36         กำหนด คู่ของ v เป็น จุดว่าง
37     กำหนด จำนวนการจับคู่ เป็น 0
38     ในขณะที่ ค้นหาตามแนวกว้าง() เป็นจริง
49         สำหรับทุกๆจุด v ใน G₁
40             ถ้า คู่ของ v เท่ากับ จุดว่าง
41                 ถ้า ค้นหาตามแนวลึก(v) เป็นจริง
42                     กำหนด จำนวนการจับคู่ เป็น จำนวนการจับคู่ + 1
44     คืนค่า จำนวนการจับคู่