【题解】新型城市化 HAOI2017 网络流 二分图最大匹配 强连通分量

Prelude

好，HAOI2017终于会做一道题了！
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Solution

首先要读懂题。
考场上我是这样想的QAQ。
我们把每个城市看作一个点，在“当前没有贸易关系”的城市之间连边。
此时，如果一个城市集合是一个城市群，那么这个城市集合中的任意两个城市之间都没有边。
因为“可以划分为两个城市群”，所以这个图是个二分图。
那么“最大城市群”就是二分图的最大独立集。
“在两个城市之间建立贸易关系”即删除这两个点之间的边。
所以题目实际上是，给一个二分图，问删掉哪些边之后，最大独立集的大小会增加。
考虑如何求最大独立集大小。
最大独立集大小=总点数-最小覆盖集大小=最大匹配数。
也就是说，这个题问的是，给一个二分图，问删掉哪些边之后，最大匹配的数量会减少，也就是问，哪些边一定在最大匹配里。
这个时候，我们已经得到了50分做法了。
先建出网络流，求出最大匹配数量，然后删掉一条边重新跑一次，看最大匹配是否减少，就是我考场上的做法。
用退流可以做到更优越的复杂度，但好像过不了n=500的点？
接下来考虑满分做法。
考虑如下定理：若一条边一定在最大匹配中，则在最终的残量网络中，这条边一定满流，且这条边的两个顶点一定不在同一个强连通分量中。
证明也很简单：首先满流的要求是很显然的，其次，如果这两个点在同一个强连通分量中，那么一定有一个环经过这条边，沿着环增广一下，网络仍然满足流量限制，但是这条边就不满流了，于是就得到了一组新的最大匹配。
所以只要跑完Dinic跑Tarjan就好了。

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Code

#include <cstring>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <queue>
#include <stack>
#include <vector>
#include <utility>

using namespace std;
typedef pair<int,int> pii;
const int MAXN = 10010;
const int MAXM = 150010;
const int MAXV = 100010;
const int MAXE = 1000010;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
int _w;

int n, m, uu[MAXM], vv[MAXM];

namespace G {
	int head[MAXN], nxt[MAXM<<1], to[MAXM<<1], eid;
	void init() {
		eid = 0;
		memset(head, -1, sizeof head);
	}
	void adde( int u, int v ) {
		to[eid] = v, nxt[eid] = head[u], head[u] = eid++;
		to[eid] = u, nxt[eid] = head[v], head[v] = eid++;
	}
}

namespace Dinic {
	struct Edge {
		int u, v, c, f;
		Edge() {}
		Edge( int u, int v, int c, int f ):
			u(u), v(v), c(c), f(f) {}
	};
	
	int n, m, s, t;
	int head[MAXV], nxt[MAXE<<1];
	Edge edge[MAXE<<1];
	int dis[MAXV], cur[MAXV];
	queue<int> q;
	
	void init( int _n ) {
		n = _n, m = 0;
		for( int i = 0; i < n; ++i )
			head[i] = -1;
	}
	int adde( int u, int v, int c ) {
		int eid = m;
		edge[m] = Edge(u, v, c, 0);
		nxt[m] = head[u], head[u] = m++;
		edge[m] = Edge(v, u, 0, 0);
		nxt[m] = head[v], head[v] = m++;
		return eid;
	}
	bool bfs() {
		for( int i = 0; i < n; ++i )
			dis[i] = INF;
		dis[s] = 0, q.push(s);
		while( !q.empty() ) {
			int u = q.front(); q.pop();
			for( int i = head[u]; ~i; i = nxt[i] ) {
				Edge &e = edge[i];
				if( e.c > e.f && dis[e.v] == INF ) {
					dis[e.v] = dis[u] + 1;
					q.push(e.v);
				}
			}
		}
		return dis[t] != INF;
	}
	int dfs( int u, int res ) {
		if( u == t || !res ) return res;
		int flow = 0;
		for( int &i = cur[u]; ~i; i = nxt[i] ) {
			Edge &e = edge[i];
			if( e.c > e.f && dis[e.v] == dis[u] + 1 ) {
				int f = dfs( e.v, min(res, e.c-e.f) );
				flow += f, res -= f;
				e.f += f, edge[i^1].f -= f;
				if( !res ) break;
			}
		}
		return flow;
	}
	int solve( int _s, int _t ) {
		s = _s, t = _t;
		int flow = 0;
		while( bfs() ) {
			for( int i = 0; i < n; ++i )
				cur[i] = head[i];
			flow += dfs(s, INF);
		}
		return flow;
	}
}

namespace Bipartite {
	int color[MAXN], eid[MAXM];
	queue<int> q;
	
	void bfs( int s ) {
		using namespace G;
		
		color[s] = 0, q.push(s);
		while( !q.empty() ) {
			int u = q.front(); q.pop();
			for( int i = head[u]; ~i; i = nxt[i] ) {
				int v = to[i];
				if( color[v] == -1 ) {
					color[v] = !color[u];
					q.push(v);
				}
			}
		}
	}
	void bipartite() {
		for( int i = 1; i <= n; ++i )
			color[i] = -1;
		for( int i = 1; i <= n; ++i )
			if( color[i] == -1 )
				bfs(i);
		int s = 0, t = n+1;
		Dinic::init(t+1);
		for( int i = 1; i <= n; ++i )
			if( color[i] ) Dinic::adde(s, i, 1);
			else Dinic::adde(i, t, 1);
		for( int i = 0; i < m; ++i )
			if( color[uu[i]] )
				eid[i] = Dinic::adde( uu[i], vv[i], 1 );
			else
				eid[i] = Dinic::adde( vv[i], uu[i], 1 );
		Dinic::solve(s, t);
	}
}
using Bipartite::bipartite;

namespace Tarjan {
	using namespace Dinic;
	
	int dfn[MAXV], low[MAXV], scc[MAXV], dfnc, sccc;
	stack<int> stk;
	
	void dfs( int u ) {
		dfn[u] = low[u] = ++dfnc;
		stk.push(u);
		for( int i = head[u]; ~i; i = nxt[i] ) {
			Edge &e = edge[i];
			if( e.c == e.f ) continue;
			int v = e.v;
			if( !dfn[v] ) {
				dfs(v);
				low[u] = min( low[u], low[v] );
			} else if( !scc[v] ) {
				low[u] = min( low[u], dfn[v] );
			}
		}
		if( low[u] == dfn[u] ) {
			++sccc;
			while(1) {
				int o = stk.top(); stk.pop();
				scc[o] = sccc;
				if( o == u ) break;
			}
		}
	}
	void tarjan() {
		dfnc = sccc = 0;
		for( int i = 0; i < Dinic::n; ++i )
			if( !dfn[i] ) dfs(i);
	}
}
using Tarjan::tarjan;

namespace Solve {
	vector<pii> ans;
	void solve() {
		using Dinic::Edge;
		using Dinic::edge;
		using Tarjan::scc;
		using Bipartite::eid;
		
		for( int i = 0; i < m; ++i ) {
			Edge &e = edge[eid[i]];
			if( e.c != e.f ) continue;
			int u = e.u, v = e.v;
			if( u > v ) swap(u, v);
			if( scc[u] == scc[v] ) continue;
			ans.push_back( pii(u, v) );
		}
		sort(ans.begin(), ans.end());
		printf( "%lu
", ans.size() );
		for( int i = 0; i < (int)ans.size(); ++i )
			printf( "%d %d
", ans[i].first, ans[i].second );
	}
}
using Solve::solve;

int main() {
	_w = scanf( "%d%d", &n, &m );
	G::init();
	for( int i = 0; i < m; ++i ) {
		_w = scanf( "%d%d", uu+i, vv+i );
		G::adde( uu[i], vv[i] );
	}
	bipartite();
	tarjan();
	solve();
	return 0;
}