【c++提高1】最大流超详细图解

大纲

1.流网络&最大流
2.Edmonds-Karp算法求解
3.Dinic算法求解
4.最大流求二分图匹配

1.流网络&最大流

流网络简介

流网络G(V, E)是一个有向图,图中每条边(u, v)∈E都有一个非负权值c(u, v) ,称为边的容量。并
且,如果边集E包含一条边(u, v),则图中不存在反方向的边(v, u)。如果(u, v)∉ E,则c(u, v) = 0。
在流网络的所有节点中,有两个特殊节点:源点S和汇点T。

流网络示例:

在这里插入图片描述


设G(V, E)是一个流网络,其容量函数为c,设S为网络的源点,T为网络的汇点。G中的流是一个实数函数f(u, v) (u∈V && v属于V)且满足以下性质:

① 容量限制:对于任意节点u, v∈V,要求:0 ≤ f(u, v) ≤ c(u, v)。
② 流量守恒:对于任意节点u∈V - {S,
T},要求:所有x∈Vf(x, u) = 所有y∈Vf(y, u)
③ 斜对称:f(u, v) = - f(v, u)

实例

例如下图的网络流量为5(流量/容量)。

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对于一个给定的网络,合法的流函数f有很多,其中使得整个网络的流量最大的流函数被称为网络的最大流,此时的流量被称为网络的最大流量

例如:下图的流网络的最大流量为6(流量/容量)。

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概念:

残留网络(残量网络):任意时刻,网络中所有节点以及剩余容量大于0的边构成的子图称为残留网络。

初始化:基于原始网络建立残存网络,初始化时残留网络和原网络一致。

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暴力求解最大流

第1步:从残存网络中找出一条从起点S到终点T的简单路径。
第2步:基于路径中容量最小的边,更新残留网络。

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第3步:从残留网络中删除已经饱和的边。

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重复上述3步操作,直到图中不存在S->T的路径。
流量 = 容量 - 空闲量

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算法问题:上面描述的简单算法不能确保一定可以找到最大流。
简单算法计算出的流为阻塞流,最大流也是阻塞流的一种。

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2.Edmonds-Karp算法求解

(1).ford-fulkerson算法

简单算法不会反悔,一旦被选中就不会再改变,ford-fulkerson是在简单算法上的一种改进算法,可以确保找到最大流。

初始化:基于原始网络建立残留网络,初始化时残留网络和原网络一致。
第1步:从残存网络中找出一条从起点S到终点T的简单路径。
第2步:基于路径中容量最小的边,更新残留网络。
第3步:从残留网络中删除已饱和的边。
第4步:添加一条反向路径,路径中边的容量 = 原路径的流量。

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重复上述4步操作,直到图中不存在S->T的路径

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反向路径使得流量可以反悔回流。

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合并方向相同的边,不存在S->T的路径后删除反向路径。

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流量 = 容量 - 空闲量

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流量 = 容量 - 空闲量,最大流量 = 2 + 4 = 6。

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算法缺陷:ford-fulkerson算法在极端情况下时间复杂度非常糟糕。

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ford-fulkerson最坏情况下的重复次数等于最大流的大小。
设图中边的数量为M,单次查找路径的时间复杂度为O(M)
设流网络的最大流为F,则ford-fulkerson时间复杂度为O(F * M)。

2.Edmonds-Karp算法

2.1Edmonds-Karp算法流程

Edmonds-Karp算法是ford-fulkerson算法的性能优化算法,时间复杂度不依赖最大流的大小。

Edmonds-Karp算法每次找的路径都是S->T的最短路径,寻找最短路时将图当做无权图。
ford-fulkerson算法允许用任何的方式寻找S->T的路径,所以可以将Edmonds-Karp算法
看成ford-fulkerson算法的一种实现方式。 Edmonds-Karp算法的时间复杂度为

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