网络流(二)最大流的增广路算法

摘要:
这样,我们得到了更大的流量。它的流量是之前的流量+三角洲,这条路径被称为增光路。当执行增强路径时,可能会阻塞以下增强路径,或者存在查找最大流量的命令。例如,在下面的网络流模型中,我们首次发现了1-2-3-4扩增路径。该路径的delta值显然为1。此时,(1,2)和(3,4)侧的交通量等于通行能力。我们找不到任何其他增强路径。当前流量为1。
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转载:https://www.cnblogs.com/ZJUT-jiangnan/p/3632525.html

网络流的相关定义:

  • 源点:有n个点,有m条有向边,有一个点很特殊,只出不进,叫做源点
  • 汇点:另一个点也很特殊,只进不出,叫做汇点
  • 容量和流量:每条有向边上有两个量,容量和流量,从i到j的容量通常用c[i,j]表示,流量则通常是f[i,j].

通常可以把这些边想象成道路,流量就是这条道路的车流量,容量就是道路可承受的最大的车流量。很显然的,流量<=容量。而对于每个不是源点和汇点的点来说,可以类比的想象成没有存储功能的货物的中转站,所有“进入”他们的流量和等于所有从他本身“出去”的流量。

  • 最大流:把源点比作工厂的话,问题就是求从工厂最大可以发出多少货物,是不至于超过道路的容量限制,也就是,最大流

网络流基础篇——Edmond-Karp算法

求解思路:

首先,假如所有边上的流量都没有超过容量(不大于容量),那么就把这一组流量,或者说,这个流,称为一个可行流

一个最简单的例子就是,零流,即所有的流量都是0的流。

  • (1).我们就从这个零流开始考虑,假如有这么一条路,这条路从源点开始一直一段一段的连到了汇点,并且,这条路上的每一段都满足流量<容量,注意,是严格的<,而不是<=。
  • (2).那么,我们一定能找到这条路上的每一段的(容量-流量)的值当中的最小值delta。我们把这条路上每一段的流量都加上这个delta,一定可以保证这个流依然是可行流,这是显然的。
  • (3).这样我们就得到了一个更大的流,他的流量是之前的流量+delta,而这条路就叫做增广路。我们不断地从起点开始寻找增广路,每次都对其进行增广,直到源点和汇点不连通,也就是找不到增广路为止。
  • (4).当找不到增广路的时候,当前的流量就是最大流,这个结论非常重要。

补充:

  • (1).寻找增广路的时候我们可以简单的从源点开始做BFS,并不断修改这条路上的delta 量,直到找到源点或者找不到增广路。
  • (2).在程序实现的时候,我们通常只是用一个c 数组来记录容量,而不记录流量,当流量+delta 的时候,我们可以通过容量-delta 来实现,以方便程序的实现。

相关问题:

为什么要增加反向边?

在做增广路时可能会阻塞后面的增广路,或者说,做增广路本来是有个顺序才能找完最大流的。

但我们是任意找的,为了修正,就每次将流量加在了反向弧上,让后面的流能够进行自我调整。

举例:

比如说下面这个网络流模型

3

我们第一次找到了1-2-3-4这条增广路,这条路上的delta值显然是1。

于是我们修改后得到了下面这个流。(图中的数字是容量)

4

这时候(1,2)和(3,4)边上的流量都等于容量了,我们再也找不到其他的增广路了,当前的流量是1。

但是,

这个答案明显不是最大流,因为我们可以同时走1-2-4和1-3-4,这样可以得到流量为2的流。

那么我们刚刚的算法问题在哪里呢

问题就在于我们没有给程序一个“后悔”的机会,应该有一个不走(2-3-4)而改走(2-4)的机制。

那么如何解决这个问题呢

我们利用一个叫做反向边的概念来解决这个问题。即每条边(i,j)都有一条反向边(j,i),反向边也同样有它的容量。

我们直接来看它是如何解决的:

在第一次找到增广路之后,在把路上每一段的容量减少delta的同时,也把每一段上的反方向的容量增加delta。

 

           c[x,y]-=delta;
           c[y,x]+=delta;


我们来看刚才的例子,在找到1-2-3-4这条增广路之后,把容量修改成如下:

1

这时再找增广路的时候,就会找到1-3-2-4这条可增广量,即delta值为1的可增广路。将这条路增广之后,得到了最大流2。

2

那么,这么做为什么会是对的呢?

事实上,当我们第二次的增广路走3-2这条反向边的时候,就相当于把2-3这条正向边已经是用了的流量给“退”了回去,不走2-3这条路,而改走从2点出发的其他的路也就是2-4。

如果这里没有2-4怎么办?

这时假如没有2-4这条路的话,最终这条增广路也不会存在,因为他根本不能走到汇点

同时本来在3-4上的流量由1-3-4这条路来“接管”。而最终2-3这条路正向流量1,反向流量1,等于没有流。

 网络流(二)最大流的增广路算法第6张

下面是刘汝佳的模板,用水流会更容易理解

 1 struct edge
 2 {
 3     int from, to, cap, flow;//分别是起点,终点,容量,流量
 4     edge(int u, int v, int c, int f):from(u), to(v), cap(c), flow(f){}
 5 };
 6 int n, m;//n为点数,m为边数
 7 vector<edge>e;//保存所有边的信息
 8 vector<int>G[maxn];//邻接表,G[i][j]保存节点i的第j条边在e数组里面的编号
 9 int a[maxn];//每个点目前流经的水量
10 int p[maxn];//p[i]从原点s到终点t的节点i的前一条边的编号
11 
12 void init(int n)
13 {
14     for(int i = 0; i <= n; i++)G[i].clear();
15     e.clear();
16 }
17 void addedge(int u, int v, int c)
18 {
19     e.push_back(edge(u, v, c, 0));//正向边
20     e.push_back(edge(v, u, 0, 0));//反向边,容量为0
21     m = e.size();
22     G[u].push_back(m - 2);
23     G[v].push_back(m - 1);
24 }
25 int Maxflow(int s, int t)//起点为s,终点为t
26 {
27     int flow = 0;
28     for(;;)
29     {
30         memset(a, 0, sizeof(a));//从原点s开始放水,最初每个点的水量都为0
31         queue<int>Q;//BFS拓展队列
32         Q.push(s);
33         a[s] = INF;//原点的水设置成INF
34         while(!Q.empty())
35         {
36             int x = Q.front();//取出目前水流到的节点
37             Q.pop();
38             for(int i = 0; i < G[x].size(); i++)//所有邻接节点
39             {
40                 edge& now = e[G[x][i]];
41                 if(!a[now.to] && now.cap > now.flow)
42                     //a[i]为0表示i点还未流到
43                     //now.cap > now.flow 说明这条路还没流满
44                     //同时满足这两个条件,水流可以流过这条路
45                 {
46                     p[now.to] = G[x][i];//反向记录路径
47                     a[now.to] = min(a[x], now.cap - now.flow);
48                     //流到下一点的水量为上一点的水量或者路径上还可以流的最大流量,这两者取最小值
49                     Q.push(now.to);//将下一个节点入队列
50                 }
51             }
52             if(a[t])break;//如果已经流到了终点t,退出本次找增广路
53         }
54         if(!a[t])break;//如果所有路都已经试过,水不能流到终点,说明已经没有增广路,已经是最大流
55         for(int u = t; u != s; u = e[p[u]].from)//反向记录路径
56         {
57             e[p[u]].flow += a[t];//路径上所有正向边的流量增加流到终点的流量
58             e[p[u]^1].flow -= a[t];//路径上所有反向边的流量减少流到终点的流量
59         }
60         flow += a[t];//最大流加上本次流到终点的流量
61     }
62     return flow;
63 }

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