網路流二 最大流最小割定理

2022-05-08 04:39:11 字數 3797 閱讀 6111

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描述小ho:我記得!網路流就是給定了一張圖g=(v,e),以及源點s和匯點t。每一條邊e(u,v)具有容量c(u,v)。網路流的最大流問題求解的就是從s到t最多能有多少流量。

小hi:那這個問題解決辦法呢?

小ho:解決網路流的基本思路就是尋找增廣路,不斷更新殘留網路。直到找不到新的增廣路,此時得到的流就是該網路的最大流。

小hi:沒錯,看來你記得很牢嘛。

小ho:哎嘿嘿,不過這裡我有乙個問題,為什麼找不到增廣路時就已經找到了最大流呢?

小hi:這一次我就來解決你的疑惑,首先我們要從網路流的割開始講起。

對於乙個網路流圖g=(v,e),其割的定義為一種點的劃分方式:將所有的點劃分為s和t=v-s兩個部分,其中源點s∈s,匯點t∈t。

對於乙個割(s,t),我們定義淨流f(s,t)表示穿過割(s,t)的流量之和,即:

f(s,t) = σf(u,v) | u∈s,v∈t
舉個例子(該例子選自演算法導論):

淨流f = f(2,4)+f(3,4)+f(3,5) = 12+(-4)+11 = 19
同時我們定義割的容量c(s,t)為所有從s到t的邊容量之和,即:

c(s,t) = σc(u,v) | u∈s,v∈t
同樣在上面的例子中,其割的容量為:

c(2,4)+c(3,5)=12+14=26
小ho:也就是說在計算割(s,t)的淨流f(s,t)時可能存在反向的流使得f(u,v)<0,而容量c(s,t)一定是非負數。

小hi:你這麼說也沒錯。實際上對於任意乙個割的淨流f(s,t)總是和網路流的流量f相等。比如上面例子中我們改變一下割的方式:

可以計算出對於這兩種情況淨流f(s,t)仍然等於19。

乙個直觀的解釋是:根據網路流的定義,只有源點s會產生流量,匯點t會接收流量。因此任意非s和t的點u,其淨流量一定為0,也即是σ(f(u,v))=0。而源點s的流量最終都會通過割(s,t)的邊到達匯點t,所以網路流的流f等於割的靜流f(s,t)。

嚴格的證明如下:

f(s,t) = f(s,v) - f(s,s)

從s到t的流等於從s到所有節點的流減去從s到s內部節點的流

f(s,t) = f(s,v)

由於s內部的節點之間存在的流一定有對應的反向流,因此f(s,s)=0

f(s,t) = f(s,v) + f(s-s,v)

再將s集合分成源點s和其他屬於s的節點

f(s,t) = f(s,v)

由於除了源點s以外其他節點不會產生流,因此f(s-s,v)=0

f(s,t) = f(s,v) = f

所以f(s,t)等於從源點s出來的流,也就是網路的流f。

小ho:簡單理解的話,也就是說任意乙個割的淨流f(s,t)都等於當前網路的流量f

小hi:是這樣的。而對於任意乙個割的淨流f(s,t)一定是小於等於割的容量c(s,t)。那也即是,對於網路的任意乙個流f一定是小於等於任意乙個割的容量c(s,t)。

而在所有可能的割中,存在乙個容量最小的割,我們稱其為最小割

這個最小割限制了乙個網路的流f上界,所以有:

對於任乙個網路流圖來說,其最大流一定是小於等於最小割的。

小ho:但是這和增廣路又有什麼關係呢?

小hi:接下來就是重點了。利用上面講的知識,我們可以推出乙個最大流最小割定理

對於乙個網路流圖g=(v,e),其中有源點s和匯點t,那麼下面三個條件是等價的:

1. 流f是圖g的最大流

2. 殘留網路gf不存在增廣路

3. 對於g的某乙個割(s,t),此時f = c(s,t)

首先證明1 => 2

我們利用反證法,假設流f是圖g的最大流,但是殘留網路中還存在有增廣路p,其流量為fp。則我們有流f'=f+fp>f。這與f是最大流產生矛盾。
接著證明2 => 3

假設殘留網路gf不存在增廣路,所以在殘留網路gf中不存在路徑從s到達t。我們定義s集合為:當前殘留網路中s能夠到達的點。同時定義t=v-s。

此時(s,t)構成乙個割(s,t)。且對於任意的u∈s,v∈t,有f(u,v)=c(u,v)。若f(u,v)0,s可以到達v,與v屬於t矛盾。

因此有f(s,t)=σf(u,v)=σc(u,v)=c(s,t)。

最後證明3 => 1

由於f的上界為最小割,當f到達割的容量時,顯然就已經到達最大值,因此f為最大流。
這樣就說明了為什麼找不到增廣路時,所求得的一定是最大流。

小ho:原來是這樣,我明白了。

輸入第1行:2個正整數n,m。2≤n≤500,1≤m≤20,000。

第2..m+1行:每行3個整數u,v,c(u,v),表示一條邊(u,v)及其容量c(u,v)。1≤u,v≤n,0≤c(u,v)≤100。

給定的圖中預設源點為1,匯點為n。可能有重複的邊。

輸出第1行:2個整數a b,a表示最小割的容量,b表示給定圖g最小割s集合的點數。

第2行:b個空格隔開的整數,表示s集合的點編號。

若存在多個最小割可以輸出任意乙個的解。

樣例輸入

6 7

1 2 3

1 3 5

2 4 1

3 4 2

3 5 3

4 6 4

5 6 2

樣例輸出

5 4

1 2 3 5

解析:先跑一遍最大流,根據最小割最大流定理,此時求出的最大流一定是最小割,然後只需求最小割的起點集合包含哪些點。

根據最小割最大流定理,此時的殘餘網路中一定不存在增廣路,所以起點到終點不連通。那麼一遍dfs求出起點能夠到的點,這些點就是起點集合。

1 #include

2 #include3 #include4 #include5 #include6 #include7 #include

8 #include9 #include10 #include11 #include12 #include13 #include14

#define maxn 510

15#define maxm 20010

16using

namespace

std;

17struct

datae[maxm*2

];20

int head[maxn],edge=0,bj[maxn],ans=0;21

void add(int

from,int to,int

w)22

28int dfs(int s,int t,int

k)2941}

42return0;

43}44int ff(int s,int

t)45

53return

flow;54}

55void dfs1(int

s)62}63

intmain()

64

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