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hiho一下,第115周,FF,EK,DINIC

题目1 : 网络流一·Ford-Fulkerson算法

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描述

小Hi和小Ho住在P市,P市是一个很大很大的城市,所以也面临着一个大城市都会遇到的问题:交通拥挤。

小Ho:每到周末回家感觉堵车都是一种煎熬啊。

小Hi:平时交通也还好,只是一到上下班的高峰期就会比较拥挤。

小Ho:要是能够限制一下车的数量就好了,不知道有没有办法可以知道交通系统的最大承受车流量,这样就可以限制到一个可以一直很顺畅的数量了。

小Hi:理论上是有算法的啦。早在1955年,T.E.哈里斯就提出在一个给定的网络上寻求两点间最大运输量的问题。并且由此产生了一个新的图论模型:网络流。

小Ho:那具体是啥?

小Hi:用数学的语言描述就是给定一个有向图G=(V,E),其中每一条边(u,v)均有一个非负数的容量值,记为c(u,v)≥0。同时在图中有两个特殊的顶点,源点S和汇点T。

举个例子:

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其中节点1为源点S,节点6为汇点T。

我们要求从源点S到汇点T的最大可行流量,这个问题也被称为最大流问题。

在这个例子中最大流量为5,分别为:1→2→4→6,流量为1;1→3→4→6,流量为2;1→3→5→6,流量为2。

小Ho:看上去好像挺有意思的,你让我先想想。

输入

第1行:2个正整数N,M。2≤N≤500,1≤M≤20,000。

第2..M+1行:每行3个整数u,v,c(u,v),表示一条边(u,v)及其容量c(u,v)。1≤u,v≤N,0≤c(u,v)≤100。

给定的图中默认源点为1,汇点为N。可能有重复的边。

输出

第1行:1个整数,表示给定图G的最大流。

小Hi:在你思考完成之前,我再给你讲一些网络流的性质好了。

对于任意一个时刻,设f(u,v)实际流量,则整个图G的流网络满足3个性质:

1. 容量限制:对任意u,v∈V,f(u,v)≤c(u,v)。

2. 反对称性:对任意u,v∈V,f(u,v) = -f(v,u)。从u到v的流量一定是从v到u的流量的相反值。

3. 流守恒性:对任意u,若u不为S或T,一定有∑f(u,v)=0,(u,v)∈E。即u到相邻节点的流量之和为0,因为流入u的流量和u点流出的流量相等,u点本身不会"制造"和"消耗"流量。

对于上面例子中的图,其对应的f网络图为(其中虚线表示实际不存在的边(v,u)):

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在此基础上,假设我们用cf(u,v)来表示c(u,v)-f(u,v),则可以表示每一条边还剩下多少的流量可以使用,我们称为残留容量。

假设一条边(u,v),其容量为3,使用了流量f(u,v)=2,则可以表示为:cf(u,v)=1, cf(v,u)=2。

由cf(u,v)构成的图我们称为残留网络。

比如例子中的残留网络图为:

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小Ho,你可以从残留网络作为着手点,会比较简单。

小Ho:残留网络,残留网络也就是可以使用的流量......我知道了!

既然残留网络表示还可以使用的流量,那么我就可以从图中找出一条从S到T的路径p,使得路径p上所有边的cf(u,v)都大于0。

假设路径p上最小的cf(u,v)等于k,那我就可以使得S到T增加k的流量。

小Hi:没错,通过该条路径p使得图G的最大流得到了增加,所以这样的路径p被称为增广路径。

小Ho:我大概有一个简单的算法了!

首先我根据读入的信息,就可以得到最初的图G,然后将其转化为残留网络。

接下来我在残留网络上寻找是否有增广路径,如果不存在增广路径,则说明这个图不能再增加流量了。

若存在增广路径,则我将最大流量增加,同时对增广路径上的边cf(u,v)进行修改,再重复寻找增广路径。

整个过程大概就是:

While ( findAugmentPath() ) // 判断是否有增广路	maxFlow = maxFlow + delta // 最大流增加	modifyGraph() // 对增广路进行修改End While		

小Hi:那么你打算怎么实现寻找增广路和修改路径呢?

小Ho:寻找增广路的话,直接使用BFS从源点S开始搜索,记录每个点的路径以及路径上的最小残余容量:

findAugmentPath():queue = []    // 重置搜索队列path = []     // 初始化路径数组为0capacity = [] // 初始化流量数组为0visited = []  // 初始化访问数组为falsetail = 0queue[ tail ] = S // 将源点加入队列capacity[S] = ∞ // 到源点的流量为无穷大visited[S] = truei = 0While (i ≤ tail)	u = queue[i]	If (u == T) Then		// 已经找到一条增广路		Return capacity[T]	End If	For (u, v)∈残留网络 and cf(u,v)>0 and not visited[v]		// u到v有残留容量,且v未被访问过		path[v] = u // 记录路径		capacity[v] = min(cf(u,v), capacity[u]) // 记录路径上的最小残余容量				visited[v] = true		tail = tail + 1		queue[ tail ] = v	End For	i = i + 1End While		

而对于路径的修改,在已经有path数组的情况下,利用迭代或者回溯都可以完成:

modifyGraph():flow = capacity[T]now = TWhile ( now is not S )	fa = path[ now ]	cf(fa, now) = cf(fa, now) - flow	cf(now, fa) = cf(now, fa) + flow // 反向的残余容量是增加	now = faEnd While		

小Ho:时间复杂度方面,每一次寻找增广路的时间为O(n+m),每一次修改路径的时间复杂度为O(n)。假设图的最大流为maxflow,那么我的算法时间复杂度为O((n+m)*maxflow)。

小Hi:嗯,你所采用的算法就是最简单的最大流解决办法,最早是由L.R.Ford和D.R.Fulkerson在1956年时发表,因此也被称为Ford-Fulkerson算法。对于第一次接触网络流而言,可以先试着实现这个算法,对于你理解网络流会有很大的帮助。

小Ho:不过小Hi,我有一个小疑问,虽然我直观上感觉找不到新的增广路时就已经是最大流了,但这真的没有问题么?

小Hi:找不到增广路确实是等价于找到最大流,不过具体的证明嘛,请听下回分解。

 

 

看了一下这个Ford-Fulkerson算法,感觉和EK很相似,都是BFS不断增广。

然后,我当时有个数组没有开足够,竟然是TLE,后来学了一下Dinic算法。

这里总结一下这3个算法:

Ford-Fulkerson: 也是最初的最大流算法,简单讲就是,不断DFS增广,直到找不到增广路。

Edmonds-Karp:是FF的变形,不断BFS增广,直到找不到增广路。

Dinic:BFS分层,DFS增广。

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#include <bits/stdc++.h>using namespace std;#define maxn 505#define INF 0x3f3f3f3fstruct Edge{    int from,to,cap,flow;};struct Dinic{    int n,m,s,t;    vector<Edge> edge;    vector<int> G[maxn];    bool vis[maxn];    int d[maxn];    int cur[maxn];    void addEdge (int from,int to,int cap)    {        edge.push_back((Edge){from,to,cap,0});        edge.push_back((Edge){to,from,0,0});        m = edge.size();        G[from].push_back(m-2);        G[to].push_back(m-1);    }    bool BFS()    {        memset(vis,0,sizeof(vis));        queue<int> Q;        Q.push(s);        d[s] = 0;        vis[s] = 1;        while(!Q.empty())        {            int x = Q.front();            Q.pop();            for(int i=0; i<G[x].size(); i++)            {                Edge & e = edge[G[x][i]];                if(!vis[e.to]&&e.cap>e.flow)                {                    vis[e.to] = 1;                    d[e.to] = d[x] + 1;                    Q.push(e.to);                }            }        }        return vis[t];    }    int DFS(int x,int a)    {        if(x==t||a==0) return a;        int flow = 0,f;        for(int & i = cur[x]; i<G[x].size(); i++)        {            Edge & e = edge[G[x][i]];            if(d[x] + 1==d[e.to]&&(f=DFS(e.to,min(a,e.cap-e.flow)))>0)            {                e.flow +=f;                edge[G[x][i]^1].flow -=f;                flow +=f;                a-=f;                if(a==0) break;            }        }        return flow;    }    int Maxflow (int s,int t) {        this->s = s;this->t = t;        int flow = 0;        while(BFS()) {            memset(cur,0,sizeof(cur));            flow+=DFS(s,INF);        }        return flow;    }}sol;int main(){    int n,m;    scanf("%d%d",&n,&m);    for(int i=0;i<m;i++) {        int u,v,cap;        scanf("%d%d%d",&u,&v,&cap);        sol.addEdge(u,v,cap);    }    printf("%d\n",sol.Maxflow(1,n));    return 0;}
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