接下来我们就介绍如何寻找增广路径。在介绍增广路径之前,我们首先需要介绍残留网络的概念。
一、残留网络
顾名思义,残留网络是指给定网络和一个流,其对应还可以容纳的流组成的网络。具体说来,就是假定一个网络G=(V,E),其源点s,汇点t。设f为G中的一个流,对应顶点u到顶点v的流。在不超过C(u,v)的条件下(C代表边容量),从u到v之间可以压入的额外网络流量,就是边(u,v)的残余容量(residual capacity),定义如下:
r(u,v)=c(u,v)-f(u,v)
举个例子,假设(u,v)当前流量为3/4,那么就是说c(u,v)=4,f(u,v)=3,那么r(u,v)=1。
我们知道,在网络流中还有这么一条规律。从u到v已经有了3个单位流量,那么从反方向上看,也就是从v到u就有了3个单位的残留网络,这时r(v,u)=3。可以这样理解,从u到v有3个单位流量,那么从v到u就有了将这3个单位流量的压回去的能力。
我们来具体看一个例子,如下图所示一个流网络
其对应的残留网络为:二、增广路径
在了解了残留网络后,我们来介绍增广路径。已知一个流网络G和流f,增广路径p是其残留网络Gf中从s到t的一条简单路径。形象的理解为从s到t存在一条不违反边容量的路径,向这条路径压入流量,可以增加整个网络的流值。上面的残留网络中,存在这样一条增广路径:
其可以压入4个单位的流量,压入后,我们得到一个新的流网络,其流量比原来的流网络要多4。这时我们继续在新的流网络上用同样的方法寻找增广路径,直到找不到为止。这时我们就得到了一个最大的网络流。
三、流网络的割
上面仅仅是介绍了方法,可是怎么证明当无法再寻找到增广路径时,就证明当前网络是最大流网络呢?这就需要用到最大流最小割定理。
首先介绍下,割的概念。流网络G(V,E)的割(S,T)将V划分为S和T=V-S两部分,使得s属于S,t属于T。割(S,T)的容量是指从集合S到集合T的所有边(有方向)的容量之和(不算反方向的,必须是S-àT)。如果f是一个流,则穿过割(S,T)的净流量被定义为f(S,T)(包括反向的,SàT的为正值,T—>S的负值)。将上面举的例子继续拿来,随便画一个割,如下图所示:
割的容量就是c(u,w)+c(v,x)=26
当前流网络的穿过割的净流量为f(u,w)+f(v,x)-f(w,v)=12+11-4=19
显然,我们有对任意一个割,穿过该割的净流量上界就是该割的容量,即不可能超过割的容量。所以网络的最大流必然无法超过网络的最小割。
可是,这跟残留网络上的增广路径有什么关系呢?
首先,我们必须了解一个特性,根据上一篇文章中讲到的最大流问题的线性规划表示时,提到,流网络的流量守恒的原则,根据这个原则我们可以知道,对网络的任意割,其净流量的都是相等的。具体证明是不难的,可以通过下图形象的理解下,
和上面的割相比,集合S中少了u和v,从源点s到集合T的净流量都流向了u和v,而在上一个割图中,集合S到集合T的流量是等于u和v到集合T的净流量的。其中w也有流流向了u和v,而这部分流无法流向源点s,因为没有路径,所以最后这部分流量加上s到u和v的流量,在u和v之间无论如何互相传递流,最终都要流向集合T,所以这个流量值是等于s流向u和v的值的。将s比喻成一个水龙头,u和v流向别处的水流,都是来自s的,其自身不可能创造水流。所以任意割的净流量都是相等的。
万事俱备,现在来证明当残留网络Gf中不包含增广路径时,f是G的最大流。
假设Gf中不包含增广路径,即Gf不包含从s到v的路径,定义S={v:Gf中从s到v存在一条通路},也就是Gf中s能够有通路到达的点的集合,显然这个集合不包括t,因为s到t没有通路。这时,我们令T=V-S。那么(S,T)就是一个割。如下图所示:
那么,对于顶点u属于S,v属于T,有f(u,v)=c(u,v)。否则(u,v)就存在残余流量,因而s到u加上u到v就构成了一条s到v的通路,所以v就必须属于S,矛盾。因此这时就表明当前流f是等于当前的割的容量的,因此f就是最大流。1,第一个数表示容量cij,第二个数表示流量fij
2,可行流与最大流
在运输网络的实际问题中,我们可以看出,对于流有两个显然的要求:一是每个弧上的流量不能超过该弧的最大通过能力(即弧的容量);二是中间点的流量为0,源点的净流出量和汇点的净流入量必相等且为这个方案的总输送量。因此有:
(1)容量约束:0≤fij≤cij,(vi,vj)∈E,
(2)守恒条件
3,可增广路径
所谓可增广路径,是指这条路径上的流可以修改,通过修改,使得整个网络的流值增大。
设f是一个可行流,P是从源点s到汇点t的一条路,若p满足下列条件:
(1)在p上的所有前向弧(vi→vj)都是非饱和弧,即0≤fij<cij
(2)在p上的所有后向弧(vi←vj)都是非零弧,即0<fij≤cij
则称p为(关于可行流f的)一条可增广路径。
4,最大流定理
当且仅当不存在关于f*的增广路径,可行流f*为最大流。
5,最大流算法
算法思想:最大流问题实际上是求一可行流{fij},使得v(f达到最大。若给了一个可行流f,只要判断N中有无关于f的增广路径,如果有增广路径,改进f, 得到一个流量增大的新的可行流;如果没有增广路径,则得到最大流。
6,应用:http://acm.pku.edu.cn/JudgeOnline/problem?id=1273
代码:(有环的情况存在)
Cpp代码
#include <iostream> #include <queue> using namespace std; const int maxN=201; static int edge[maxN][maxN]; bool visited[maxN]; int father[maxN]; int N, M; //边数,顶点数 int ans; //结果 void Ford_Fulkerson( ) { while(1) { //一次大循环,找到一条可能的增广路径 queue <int> q; memset(visited, 0, sizeof(visited)); memset(father, -1, sizeof(father)); int now; visited[0] = true; q.push(0); while(!q.empty())//广度优先 { now = q.front(); q.pop(); if(now == M-1) break; for(int i = 0; i < M; i++) { //每次父亲节点都要更新,权值减为0的边就不算了. if(edge[now][i] && !visited[i]) { father[i] = now; visited[i] = true; q.push(i); } } } //可能的增广路不存在了 if(!visited[M-1]) break; int u, min = 0xFFFF; for(u = M-1; u; u = father[u])//找出权值最小的边 { if(edge[father[u]][u] < min) min = edge[father[u]][u]; } //减去最小权值 for(u = M-1; u; u = father[u]) { //前向弧减去 edge[father[u]][u] -= min; //后向弧加上 //存在圆环,这句话关键 edge[u][father[u]] += min; } //当前增广路径增加的流 ans += min; } } int main() { int s, e, w; while(cin >> N >> M) { ans = 0; memset(edge, 0, sizeof(edge)); for(int i = 0; i<N; i++) { cin >> s >> e >> w; edge[s-1][e-1] += w; } Ford_Fulkerson(); cout << ans << endl; } return 0; }