浅谈网络流的基本算法

浅谈网络流的基本算法引言 过去听起来高深莫测的网络流算法 现在已飞入寻常百姓家了 对于每一个 OIER 网络流是一个神圣的东西 个人见解 但神圣的同时 它并不是那样抽象 最形象的模型就是水流 从长江源点无限的向外流水 而大海 汇点 则

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引言

  过去听起来高深莫测的网络流算法,现在已飞入寻常百姓家了,对于每一个OIER,网络流是一个神圣的东西(个人见解),但神圣的同时,它并不是那样抽象,最形象的模型就是水流,从长江源点无限的向外流水,而大海(汇点)则在不断地喝水,当然,你也可以不把它想成水,或者是其他一切可以流动的东西。而事实上,有些东西的流动比较流畅,而某些东西可能相对而言比较粘稠,流速更慢,因此,就产生了一个问题,单位时间内的总流量最多多少,这里会根据流速给定单位时间内的流量,这就是最先开启网络流之门的最大流算法,它的解决方式将在后面谈到,再想一下,如果水管是另一个物流公司所有,那么你会根据从哪里运到哪里付出一定的代价, 为了你自己的利润,显然要找一个在运的东西最多的前提下有最小费用的方案,这就引出了下一个问题,最小费用最大流。再引用某牛一句话当然也有有钱没处花的傻子,去求最大费用最大流,而事实上,题目会出现这个模型,为了避免你成为傻瓜,现在你要给它一个新的定义:最大收益流,这时的你,变成了物流公司的经理,而客户的路线由你规划,为了你的钱包,最大收益必不可少。

 

正文

 第一部分.概念性问题(基本定理及定义)

        对于一些网络流新手来说,有必要知道一些基本定义和基本定理,这些虽然看起来理论价值不大,但是现在的许多网络流描述需要这些专业性的词语,所以还是  有些了解为好。

       首先对于图G

       G 的流是一个实值函数 f f (u, v) 表示顶点 u 到顶点 的流,它可以为正, 为零,也可以为负,且满足下列三个性质:

1.容量限制:对所有u, v Î,要求 (u, v) £ c(u, v)  反对称性:对所有u, v Î,要求 (u, v) = (v, u) 

2.流守恒性:对所有Î{
s, t} ,要求 å (u, v) = 

3.整个流网络 的流量 = å (s, v)  f= å (u, t) 

接下来定义各种算法中都要用到的一些东东:

1.残留网络

给定一个流网络= (, E) 和流 f,由 压得的 的残留网络Gf= (, E f ) ,定义 c f (u, v) 为残留网络G f  中边 (u, v) 的容量。如果弧 (u, v) Î 或弧 (v, u) Î ,则  (u, v) Î E f ,且 c f (u, v) = c(u, v)  (u, v) 

  残留网络又被称为剩余图。

2.点的高度和层次,这是两个相对的概念,高度的定义为到汇点的最短路径长度,而层次则是指到源点的最短路径长度(这里的路径长度按照各个边的长度都为1算),这两个量是在最大流算法中贯穿始末的利器。

接下来引入最大流最小割定理

 对了,可能有同学还不知道什么是最小割,在这里提一下

 流网络 = (, E) 的割 (,划分成 =  两部分,使得 Î Î。定义割 (,的容量为 c(,T ),

  对 于 最 小 的 , 它 是 最 小 割 。

3.  最 大 流 最 小 割 定 理

    在 流 网  络 中,最 小 割 的 容 量 等 于 最 大 流 的 流 量 。(证 明 再 次 略 过 )

 

   第二部分.最大流的算法

下面步入与实际问题更加接近的算法实现部分,首先给出问题,给定一个流网络,求源到汇在单位时间内的最大流量。

最简单而效率较好的算法 是基于增广路的算法,这类算法在王欣上大牛的论文中有详细介绍,但我仍然想谈谈我的想法,希望能起到抛砖引玉的作用。基于增广路的算法主要有两种:MPLA,Dinic,SAP.其中最简单的是MPLA,最实用最简洁也是最多人用的是Dinia,SAP的范围也很广,加上GAP优化后的效率也让人咋舌,这也是最近SAP大泛滥的原因吧!个人比较喜欢Dinic,数据变态就用最高标号预流推进,SAP用的比较少,当然,用什么算法还是看你自己的感觉吧。有些人认为增广路算法格式低效,于是想出了对于每个节点操作的算法,这类算法以预留推进为顶梁柱,MPM也勉强归入这一类吧。

 

1.MPLA算法

即最短路径增值算法,可以有一个简单的思想,每次都找一条从源到汇的路径来增广,直到不能增广为止,之中算法的正确性是可以保证的,但效率不尽如人意,有些时候,把事情格式化反而有益,这里的MPLA就是这样,它只在层次图中找增广路,构建出层次图之后,用BFS不断增广,直到当前层次图中不再有增广路,再重新构建层次图,如果汇点不在层次图内,则源汇不再连通,最大流已经求出,否则继续执行增广,如此反复,就可以求出最大流,在程序实现时层次图不用被构建出来,只需要BFS出各点的距离标号,找路径时判断对于f(u,v)是否有d[u]+1=d[v]即可。

如果每建一次层次图成为一个阶段,则在最短路径增值算法中,最多有N个阶段,证明再次略过。

因此在整个算法中,最多有N个阶段,每个阶段构建层次图的BFS时间复杂度为O(m),N次,因此构建层次图的总时间为O(mn),而在增广过程中,每一次增广至少删除一条边,因此增广m次,加上修改流量的时间,每一阶段的增广时间为O(m*(m+n)),共有N个阶段,所以复杂度为O(n*m*(m+n))=O(nm^2),这也是该算法的时间复杂度。

 

2.Dinic算法

MPLA虽然简单,但经常会点超时,我们把增广过程中的BFS改成DFS,效率会有比较大的提高么?答案是肯定的,至此我们已经得到了Dinic的算法流程,只是将MPLA的增广改为DFS,就能写出那美妙的Dinic了,同样,分析一下时间,在DFS过程中,会有前进和后退两种情况,最多前进后退N次,而增广路最多找M次,再加上N个阶段,所以Dinic的复杂度就是O(mn^2),事实上,它也确实比MPLA快很多,简洁而比较高效,这也是许多OIER选择Dinic的理由了吧,毕竟,写它可能会节省出较长时间来完成其他题目.

 1  2 program dinic(input,output);  3 var  4 f : array[0..1000,0..1000] of longint;  5 number : array[0..1000] of longint;  6 q : array[0..10000] of longint;  7  n,m,ans,s,t : longint;  8 procedure init;  9 var 10  x,y,c : longint; 11  i : longint; 12 begin 13  readln(m,n); 14 s:=1; 15 t:=n; 16 fillchar(f,sizeof(f),0); 17 for i:=1 to m do 18 begin 19  readln(x,y,c); 20  inc(f[x,y],c); 21 end; 22 end; { 
        init } 23 function min(aa,bb :longint ):longint; 24 begin 25 if aa<bb then 26  exit(aa); 27  exit(bb); 28 end; { 
        min } 29 function bfs(): boolean; 30 var 31  head,tail : longint; 32  now,i : longint; 33 begin 34 fillchar(number,sizeof(number),0); 35 head:=0; 36 tail:=1; 37 q[1]:=s; 38 number[s]:=1; 39 while head<tail do 40 begin 41  inc(head); 42 now:=q[head]; 43 for i:=1 to n do 44 if f[now,i]>0 then 45 if number[i]=0 then 46 begin 47 number[i]:=number[now]+1; 48  inc(tail); 49 q[tail]:=i; 50 end; 51 end; 52 if number[t]=0 then 53  exit(false); 54  exit(true); 55 end; { 
        bfs } 56 function dfs(now,flow :longint ):longint; 57 var 58  tmp,i : longint; 59 begin 60 if now=t then 61  exit(flow); 62 for i:=1 to n do 63 if number[i]=number[now]+1 then 64 if f[now,i]>0 then 65 begin 66 tmp:=dfs(i,min(flow,f[now,i])); 67 if tmp<>0 then 68 begin 69  inc(f[i,now],tmp); 70  dec(f[now,i],tmp); 71  exit(tmp); 72 end; 73 end; 74 exit(0); 75 end; { 
        dfs } 76 procedure main; 77 var 78  tmp : longint; 79 begin 80 ans:=0; 81 while bfs() do 82 begin 83 tmp:=dfs(s,maxlongint>>2); 84 while tmp<>0 do 85 begin 86  inc(ans,tmp); 87 tmp:=dfs(s,maxlongint>>2); 88 end; 89 end; 90  writeln(ans); 91 end; { 
        main } 92 begin 93  init; 94  main; 95 end.

 

3.SAP算法

    SAP也是找最短路径来增广的算法,有这样一句话:SAP算法更易理解,实现更简单,效率更高,而也有测试表明,SAP加上重要的GAP优化后,效率仅次于最高标号预流推进算法,因此如果你想背一个模板,SAP是最佳选择。SAP在增光时充分的利用了以前的信息,当按照高度找不到增广路时,它会对节点重新标号,h[i]=min{h[j]}+1(c[i,j]>0),这也是SAP比较核心的思想,而根据这个我们可以发现,当高度出现间隙时,一定不会存在增广路了,算法已经可以结束,因此,这里引入间隙优化(GAP),即出现间隙时结束算法。

    在算法实现中,初始标号可以全部置为0,在增广过程中在逐渐提升高度,时间上可能会有常数的增加,但不改变渐进时间复杂度。同时为了简洁,SAP实现时用递归,代码不过80行左右。

 1 View Code  2 program sap(input,output);  3 var  4 c : array[0..1000,0..1000] of longint;  5 h,vh : array[0..1000] of longint;  6  flow,n,m,ans : longint;  7  tmpflow : longint;  8  can : boolean;  9 procedure init; 10 var 11  i,j : longint; 12  xx,yy,cc : longint; 13 begin 14 fillchar(c,sizeof(c),0); 15 fillchar(h,sizeof(h),0); 16 ans:=0; 17  readln(m,n); 18 for i:=1 to m do 19 begin 20  readln(xx,yy,cc); 21  inc(c[xx,yy],cc); 22 end; 23 end; { 
       init } 24 procedure dfs(now : longint ); 25 var 26  min,tmp : longint; 27  i : longint; 28 begin 29 min:=n-1; 30 tmp:=tmpflow; 31 if now=n then 32 begin 33 can:=true; 34  inc(ans,tmpflow); 35  exit; 36 end; 37 for i:=1 to n do 38 if c[now,i]>0 then 39 begin 40 if h[i]+1=h[now] then 41 begin 42 if c[now,i]<tmpflow then 43 tmpflow:=c[now,i]; 44  dfs(i); 45 if h[1]>=n then 46  exit; 47 if can then 48  break; 49 tmpflow:=tmp; 50 end; 51 if h[i]<min then 52 min:=h[i]; 53 end; 54 if not can then 55 begin 56  dec(vh[h[now]]); 57 if vh[h[now]]=0 then 58 h[1]:=n; 59 h[now]:=min+1; 60  inc(vh[h[now]]); 61 end 62 else 63 begin 64  dec(c[now,i],tmpflow); 65  inc(c[i,now],tmpflow); 66 end; 67 end; { 
       dfs } 68 begin 69  init; 70 fillchar(vh,sizeof(vh),0); 71 vh[0]:=n; 72 while h[1]<n do 73 begin 74 tmpflow:=maxlongint>>2;; 75 can:=false; 76 dfs(1); 77 end; 78  writeln(ans); 79 end.

 

4.MPM算法

    这个算法我还没有实践过,因为它的实现过程比较繁琐,而且时间效率不高,是一个只具有理论价值的算法,这个算法每次都处理单独节点,记每个节点入流和与出流和的最小值作为thoughput(now)(定义在非源汇点),每次先从now向汇推大小为thoughput(now)的流量,在从点now向源点拉大小为thoughput(now)的流量,删除该节点,继续执行直到图中只剩下源汇。时间复杂度为O(n^3),但时间常数较大,时间效率不高。

 

5.预留推进算法

    以上的算法中,基本上都需要从大体上来把握全局,而预留推进算法则是将每一个顶点看作了一个战场,分别对他们进行处理,在处理过程中,存在某些时间不满足流量收支平衡,所以对预先推出的流叫做预流,下面来看算法如何将预流变成最大流的。

    预留推进算法有两个主过程,pushrelabel,即推进和重标号,它是在模拟水流的过程,一开始先让源的出弧全部饱和,之后随着时间的推移,不断改变顶点的高度,而又规定水流仅能从高处流向低处,所以在模拟过程中,最终会有水流入汇,而之前推出的多余的水则流回了源,那么我们每次处理的是什么节点呢?把当前节点内存有水的节点称为活跃节点,每次对活跃节点执行推流操作,直到该节点不再活跃,如果不能再推流而当前节点仍未活跃节点,就需要对它进行重新标号了,标号后再继续推流,如此重复,直到网络中不再存在活跃节点为止,这时源的流出量就是该网络的最大流。注意,对于活跃节点的定义,不包括源汇,否则你会死的很惨。

    朴素的预留推进的效率还过得去,最多进行nm次饱和推进和n^2m次不饱和推进,因此总的时间复杂度为O(mn^2)

    事实上,如同增广路算法引入层次图一样,定下一些规则,可以让预留推进算法有更好的时间效率,下面介绍相对而言比较好实现的FIFO预留推进算法,它用一个队列来保存活跃节点,每次从队首取出一个节点进行推进,对一个节点relabel之后把它加到队尾,如此执行,直到队列为空,这样一来,预留推进算法的时间复杂度降为O(n^3),实现的时候,可以加上同样的间隙优化,但注意,出现间隙时不要马上退出,将新标号的的高度置为n+1,继续执行程序,这样会让所有的剩水流回源,满足流量收支平衡,以便最后的统计工作。

 1 View Code  2 program preflow(input,output);  3 var  4 f,c : array[0..2000,0..2000] of longint;  5 q,h,vh,e : array[0..2000] of longint;  6  m,n,s,t : longint;  7  flow : longint;  8 procedure init;  9 var 10  i,j : longint; 11  xx,yy,cc : longint; 12 begin 13  readln(m,n); 14 fillchar(f,sizeof(f),0); 15 fillchar(c,sizeof(c),0); 16 fillchar(e,sizeof(e),0); 17 for i:=1 to m do 18 begin 19  readln(xx,yy,cc); 20  inc(c[xx,yy],cc); 21 end; 22 s:=1; 23 t:=n; 24 end; { 
       init } 25 procedure main; 26 var 27  i,j : longint; 28  head,tail : longint; 29  now,tmp,tmph : longint; 30 begin 31 flow:=0; 32 h[s]:=n; 33 head:=0; 34 tail:=0; 35 for i:=1 to n do 36 begin 37 e[i]:=c[s,i]; 38 f[s,i]:=c[s,i]; 39 f[i,s]:=-f[s,i]; 40 if (e[i]>0)and(i<>t) then 41 begin 42  inc(tail); 43 q[tail]:=i; 44  inc(vh[h[i]]); 45 end; 46 end; 47 while head<tail do 48 begin 49  inc(head); 50 now:=q[head]; 51 for i:=1 to n do 52 if (c[now,i]>f[now,i])and(h[now]=h[i]+1)and(e[now]>0) then 53 begin 54 tmp:=c[now,i]-f[now,i]; 55 if tmp>e[now] then 56 tmp:=e[now]; 57  inc(f[now,i],tmp); 58  dec(f[i,now],tmp); 59  dec(e[now],tmp); 60  inc(e[i],tmp); 61 if (e[i]=tmp)and(i<>s)and(i<>t) then 62 begin 63  inc(tail); 64 q[tail]:=i; 65 end; 66 end; 67 if (e[now]>0)and(now<>s)and(now<>t) then 68 begin 69 tmph:=h[now]; 70  dec(vh[tmph]); 71 h[now]:=$FFFF; 72 for i:=1 to n do 73 if (c[now,i]>f[now,i])and(h[now]>h[i]+1) then 74 h[now]:=h[i]+1; 75  inc(tail); 76 q[tail]:=now; 77  inc(vh[h[now]]); 78 if vh[tmph]=0 then 79 for i:=1 to n do 80 if (h[i]>tmph)and(h[i]<n) then 81 begin 82  dec(vh[h[i]]); 83 h[i]:=n; 84  inc(vh[n]); 85 end; 86 end; 87 end; 88 flow:=0; 89 for i:=1 to n do 90  inc(flow,f[s,i]); 91 end; { 
       main } 92 begin 93  init; 94  main; 95  writeln(flow); 96 end.

 

    下面介绍最后一个,也是编程难度最大,时间表现不同凡响的算法,最高标号预流推进,它的思想是既然水是从高处向低处流的,那么如果从低处开始会做许多重复工作,不如从最高点开始流,留一次就解决问题。再直观一些,引用黑书上的话“让少数的节点聚集大量的盈余,然后通过对这些节点的检查把非饱和推进变成一串连续的饱和推进”。在程序现实现时,用一个表list来储存所有的活跃节点,其中list(h)存储高的为h的活跃节点,同时记录一个level,为最高标号,每次查找时依次从level,level-1……查找,直到找到节点为止,这时从表内删掉这个节点,对它进行Push,Relabel操作,直到该节点不再活跃,继续进行,直到表内不在存在活跃节点。

     它的复杂度为O(n^2*m^(1/2)),时间效率很优秀(当然,如果你刻意构造卡预留推进的数据,它比MPLA还慢也是有可能的)。

 1 View Code  2 program hign_node_flow(input,output);  3 var  4 c : array[0..1000,0..1000] of longint; { 
      保存原图}  5 f : array[0..1000,0..1000] of longint; { 
      保存当前的预流图}  6 h : array[0..1000] of longint; { 
      保存各个节点当前高度}  7 vh : array[0..1000] of longint; { 
      保存各个高度节点的数量}  8 e : array[0..1100] of longint; { 
      保存各个节点的盈余}  9 level : longint; { 
      当前所有活跃节点的最高高度}  10 l : array[0..1000,0..1000] of longint; { 
      保存活跃节点的表,l[i,0]表示高度为i的活跃节点数,这也是不能用vh数组的原因}  11 n,m,s,t : longint; { 
      节点数,边数,源,汇}  12 listsum : longint; { 
      记录当前在表内的元素个数}  13 flow : longint; { 
      记录流量}  14 inlist : array[0..1000] of boolean; { 
      节点是否在表内}  15 q : array[0..10000] of longint; { 
      用于BFS扩展的队列}  16 procedure init;  17 var  18  i,xx,yy,cc : longint;  19 begin  20  readln(m,n);  21 fillchar(f,sizeof(f),0);  22 fillchar(c,sizeof(c),0);  23 fillchar(e,sizeof(e),0);  24 fillchar(h,sizeof(h),0);  25 fillchar(vh,sizeof(vh),0);  26 for i:=1 to m do  27 begin  28  readln(xx,yy,cc);  29 inc(c[xx,yy],cc);{ 
      注意某些情况下有重边,这样处理比较保险}  30 end;  31 s:=1;  32 t:=n;  33 end; { 
       init }  34 procedure insect(now :longint ); { 
      在活跃节点表内插入节点now}  35 begin  36 inlist[now]:=true; { 
      标记now节点在表内}  37 inc(listsum); { 
      表中元素增加1}  38 inc(l[h[now],0]); { 
      高度为h[now]的活跃节点数增加1}  39 l[h[now],l[h[now],0]]:=now; { 
      表中高度为h[now]的第l[h[now],0]个活跃节点为now}  40 if h[now]>level then { 
      更新活跃节点最高高度}  41 level:=h[now];  42 end; { 
       insect }  43 procedure bfs(); { 
      利用BFS(反向的),求的各个节点的高度}  44 var  45  head,tail,i : longint;  46 begin  47 head:=0;  48 tail:=1;  49 q[1]:=t;  50 h[t]:=1; { 
      汇点的高度为1}  51 while head<tail do  52 begin  53  inc(head);  54 for i:=1 to n do  55 if c[i,q[head]]>0 then { 
      存在边}  56 if h[i]=0 then { 
      i节点高度没有求出}  57 begin  58 h[i]:=h[q[head]]+1; { 
      求的节点i的高度}  59  inc(tail);  60 q[tail]:=i;  61 end;  62 end;  63 end; { 
       bfs }  64 procedure previous(); { 
      预流推进的预处理}  65 var  66  i : longint;  67 begin  68 for i:=1 to n do  69 begin  70 e[i]:=c[s,i]; { 
      让源点的出弧饱和,则弧的指向点的盈余要改变}  71 f[s,i]:=c[s,i]; { 
      源点出弧饱和}  72 f[i,s]:=-f[s,i]; { 
      反向弧的处理}  73 if (e[i]>0)and(i<>t)and(not inlist[i]) then { 
      节点i成为活跃节点,且不是汇点,没有在表内(其实也不可能在表内)}  74  insect(i);  75 end;  76 h[1]:=n;  77 for i:=1 to n-1 do  78  inc(vh[h[i]]);  79 end; { 
       previous }  80 function find(level :longint ):longint; { 
      传入当前活跃节点集合的最高高度}  81 var  82  i : longint;  83 begin  84 for i:=level downto 1 do { 
      枚举节点集合}  85 if l[i,0]<>0 then { 
      存在节点}  86 begin  87 find:=l[i,l[i,0]]; { 
      返回表的尾元素}  88 inlist[l[i,l[i,0]]]:=false; { 
      返回节点不再表内}  89 dec(l[i,0]);  90 dec(listsum); { 
      表中元素个数减一}  91 while (l[level,0]=0)and(level>0) do { 
      更新level的值}  92  dec(level);  93  exit;  94 end;  95 exit(0); { 
      没有找到节点就返回0}  96 end; { 
       find }  97 procedure push(now :longint ); { 
      推流操作}  98 var  99  i : longint; 100  tmp : longint; 101 begin 102 for i:=1 to n do 103 if (c[now,i]>f[now,i])and(h[now]=h[i]+1)and(e[now]>0) then { 
      如果当前节点有盈余且有出弧不饱和} 104 begin 105 tmp:=c[now,i]-f[now,i]; { 
      tmp记录对弧而言能增广的量} 106 if tmp>e[now] then { 
      这里能增广的量=min(tmp,盈余)} 107 tmp:=e[now]; 108 inc(f[now,i],tmp); { 
      增广操作} 109  dec(f[i,now],tmp); 110 inc(e[i],tmp); { 
      修改节点盈余} 111  dec(e[now],tmp); 112 if (not inlist[i])and(e[i]=tmp)and(i<>t) then { 
      接受流的节点一定成为活跃节点且不再表内,又不是汇点} 113  insect(i); 114 end; 115 end; { 
       push } 116 procedure relable(now : longint ); { 
      重新标号} 117 var 118  i : longint; 119  tmph : longint; 120 begin 121 tmph:=h[now]; { 
      tmph保存未重新标号前now节点的高度} 122 dec(vh[tmph]); { 
      高度为h[now]的节点数减一} 123 h[now]:=$ffff; { 
      高度要取min(j)c[now,j]>0,则先赋值最大} 124 for i:=1 to n do 125 if (c[now,i]>f[now,i])and(h[now]>h[i]+1) then 126 h[now]:=h[i]+1; { 
      更新标号的过程} 127 inc(vh[h[now]]); { 
      新产生节点的高度记录进去} 128 if vh[tmph]=0 then { 
      GAP优化,如果存在间隙,则最大流已求出} 129 for i:=1 to n do 130 if (h[i]>tmph)and(h[i]<n) then { 
      让各个节点均抬高到n} 131 begin 132  dec(vh[h[i]]); 133 h[i]:=n; 134  inc(vh[n]); 135 end; { 
      不能直接退出,否则会无限执行且不满足流量平衡} 136 if (now<>s)and(now<>t) then 137 insect(now);{ 
      now经过PUSH过程已经不再活跃节点内了,且一定有盈余,但一定要保证now不是源,汇} 138 end; { 
       ralable } 139 procedure main; 140 var 141  tmp : longint; 142 begin 143 while listsum<>0 do { 
      当表中存在活跃节点时} 144 begin 145 tmp:=find(level); { 
      找到最高标号点} 146 push(tmp); { 
      推进} 147 if e[tmp]>0 then { 
      如果推进后该节点还有盈余} 148 relable(tmp); { 
      重新标号该节点} 149 end; 150 end; { 
       main } 151 procedure print; 152 var 153  i : longint; 154 begin 155 flow:=0; 156 for i:=1 to n do { 
      累加源的出流量} 157  inc(flow,f[s,i]); 158  writeln(flow); 159 end; { 
       print } 160 begin 161  init; 162  bfs(); 163  previous; 164  main; 165  print; 166 end.

 

 

小结:

网络流的最大流算法种类繁多,时间效率编程复杂度也不尽相同,对于不同的流网络,选择相应的算法,需要在不断实践中摸索,这也是一个菜鸟到大牛的必经之路。在一般题目中,选用Dinic是一个不错的想法,但当我们发现网络特别稠密时,FIFO的预留推进算法就要派上用场了,而时间比较紧但题目数据弱,我们甚至可以采用搜索找增广路的算法。

提供最大流测试网址:http://hzoi.openjudge.cn/never/1003/

 

 

     第三部分  最小费用最大流问题

 学习了网络流的最大流算法,一定有一种十分兴奋的感觉,那么,就让你借着这股兴奋劲儿,来学习这一章的最小费用流吧。

最小费用流有两种经典的算法,一种是消圈算法,另一种则是最小费用路增广算法。

第一种,消圈算法。如果在一个流网络中求出了一个最大流,但对于一条增广路上的某两个点之间有负权路,那么这个流一定不是最小费用最大流,因为我们可以让一部分流从这条最小费用路流过以减少费用,所以根据这个思想,可以先求出一个最大初始流,然后不断地通过负圈分流以减少费用,直到流网络中不存在负圈为止。

消圈算法的时间复杂度上限为O(nm^2cw),其中c是最大流量,w为非用最大值,而按特定的顺序消圈的时间复杂度为O(nm^2logn)。这里的时间复杂度分析是按照用bellman-ford算法消圈得到的,用SPFA应该可以得到更优的实际运行时间。

第二种,最小费用路增广算法。这里运用了贪心的思想,每次就直接去找st的最小费用路来增广,这样得到的结果一定是最小费用,实现较简单,时间复杂度O(mnv)v为最大流量。用SPFA效果极好,但鉴于SPFA的不确定性,有时为了保险,往往运用重新加权技术,具体实践请通过网络或其他途径获得。

最小费用流的东西并不多,事实上是使用最短路径这种特殊的网络流解决了普遍的网络流问题,只要掌握好基础,程序不难写出。

 1 View Code  2 program minflow(input,output);  3 var  4 f : array[0..501,0..501] of longint;  5 c : array[0..501,0..501] of longint;  6 min,pre,d : array[0..1000] of longint;  7 q : array[0..2000] of longint;  8 v : array[0..501] of boolean;  9  m,n,s,t : longint; 10 procedure init; 11 var 12  xx,yy,cc,dd : longint; 13  i : longint; 14 begin 15  readln(n,m); 16 fillchar(f,sizeof(f),63); 17 fillchar(c,sizeof(c),0); 18 for i:=1 to n do 19 f[i,i]:=0; 20 for i:=1 to m do 21 begin 22  readln(xx,yy,cc,dd); 23 f[xx,yy]:=dd; 24 c[xx,yy]:=cc; 25 f[yy,xx]:=-dd; 26 end; 27 s:=1; 28 t:=n; 29 end; { 
       init } 30 function argument():boolean; 31 var 32  head,tail : longint; 33  i,now : longint; 34 begin 35 for i:=1 to n do 36 d[i]:=maxlongint>>2; 37  fillchar(v,sizeof(v),false); 38 fillchar(min,sizeof(min),63); 39 head:=0; 40 tail:=1; 41 q[1]:=s; 42 v[1]:=true; 43 d[1]:=0; 44 while head<tail do 45 begin 46  inc(head); 47 v[q[head]]:=false; 48 now:=q[head]; 49 for i:=1 to n do 50 if c[now,i]<>0 then 51 begin 52 if d[now]+f[now,i]<d[i] then 53 begin 54 d[i]:=d[now]+f[now,i]; 55 pre[i]:=now; 56 if c[now,i]<min[now] then 57 min[i]:=c[now,i] 58 else 59 min[i]:=min[now]; 60 if not v[i] then 61 begin 62  inc(tail); 63 q[tail]:=i; 64 v[i]:=true; 65 end; 66 end; 67 end; 68 end; 69 if d[t]=maxlongint>>2 then 70  exit(false); 71 now:=t; 72 while now<>s do 73 begin 74  dec(c[pre[now],now],min[t]); 75  inc(c[now,pre[now]],min[t]); 76 now:=pre[now]; 77 end; 78 end; { 
       argument } 79 procedure main; 80 var 81  ans : longint; 82 begin 83 ans:=0; 84 while argument() do 85 inc(ans,min[t]*d[t]); 86  writeln(ans); 87 end; { 
       main } 88 begin 89  init; 90  main; 91 end.

 

 

           第四部分  网络流算法的应用

一.  最大流问题。

一般情况下,比较裸的最大流几乎不存在,网络流这种东西考得就是你的构图能力,要不然大家背一背基本算法就都满分了,下面介绍一道比较典型的最大流问题。

   问题一:最小路径覆盖问题。

   题目链接:http://hzoi.openjudge.cn/never/1004/

   最小路径覆盖=|P|-最大匹配数

   而最大匹配数可以用匈牙利,也可以用最大流,而两者在这特殊的图中,效率是相同的,而一旦题目有一些变化,网络流可以改改继续用,而匈牙利的局限性较大。

   问题二:奶牛航班。

   Usaco的赛题,以飞机上的座位作为流量限制,通过实际模型的构建,最终运用最大流算法解决,详解可参考国家集训队论文,具体哪年的忘记了,囧。

  最大流实在难已以找到比较有意思的题目,下面进入应用最广泛的最小费用流吧!

 

.最小费用流问题(最大收益流问题)

这个问题的模型很多下面就此解析几道例题。

   问题一:N方格取数

   在一个有m*n 个方格的棋盘中,每个方格中有一个正整数。现要从方格中取数,使任意个数所在方格没有公共边,且取出的数的总和最大。

   解析:这是一个二分图最大点权独立集问题,就是找出图中一些点,使得这些点之间没有边相连,这些点的权值之和最大。独立集与覆盖集是互补的,求最大点权独立集可以转化为求最小点权覆盖集(最小点权支配集)。最小点权覆盖集问题可以转化为最小割问题解决。

   结论:最大点权独立集 = 所有点权 – 最小点权覆盖集 = 所有点权 – 最小割集 = 所有点权 – 网络最大流。

   问题还有许多,可以参考网上的网络流与线性规划24题,里面题目比较全面(虽然好多根本用不到网络流)。

最后再提一道题目,说一下最小割的转化建模。

The last问题:黑手党

题目大意:要用最少的人数来切断从AB的所有路径,每个人只能切断一条边。

分析:显然是一个从AB的最小割问题,由最大流最小割定理,求A的最大流即可。

结论:网络流问题博大精深,难点在构图,这是一种能力,需要逐渐培养。

 

总结:关于网络流的介绍到这里也就结束了,但是网络流绝不是仅仅这点东西的,由于个人水平问题,出错或片面的地方还请大牛指正。

 

参考资料:

[1].国家集训队论文2007 王欣上,浅谈基于分层思想的网络流算法。

[2].国家集训队论文2002,江鹏,从一道题目的解法试坛网络流的构造与算法。

[3].算法艺术与信息学竞赛,刘汝佳,黄亮。

 

[转] http://www.cnblogs.com/neverforget/archive/2011/10/20/2210785.html

 

———–

注:预留推进算法Gap优化:

若发现存在某个高度t<|V|,使得没有任何点的高

  度为t,则可以把所有高度在( t, |V| ]之间的点的高度

  全部提升到|V|+1

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