• 数据结构与算法分析(七)——最大网络流Edmond-Karp算法


     

    首先要先清楚最大流的含义,就是说从源点到经过的所有路径的最终到达汇点的所有流量和EK算法的核心

    反复寻找源点s到汇点t之间的增广路径,若有,找出增广路径上每一段[容量-流量]的最小值delta,若无,则结束。
    在寻找增广路径时,可以用BFS来找,并且更新残留网络的值(涉及到反向边)。
    而找到delta后,则使最大流值加上delta,更新为当前的最大流值。

    这么一个图,求源点1,到汇点4的最大流

    由于我是通过模版真正理解ek的含义,所以先上代码,通过分析代码,来详细叙述ek算法

     1 #include <iostream>
     2 #include <queue>
     3 #include<string.h>
     4 using namespace std;
     5 #define arraysize 201
     6 int maxData = 0x7fffffff;
     7 int capacity[arraysize][arraysize]; //记录残留网络的容量
     8 int flow[arraysize];                //标记从源点到当前节点实际还剩多少流量可用
     9 int pre[arraysize];                 //标记在这条路径上当前节点的前驱,同时标记该节点是否在队列中
    10 int n,m;
    11 queue<int> myqueue;
    12 int BFS(int src,int des)
    13 {
    14     int i,j;
    15     while(!myqueue.empty())       //队列清空
    16         myqueue.pop();
    17     for(i=1;i<m+1;++i)
    18     {
    19         pre[i]=-1;
    20     }
    21     pre[src]=0;
    22     flow[src]= maxData;
    23     myqueue.push(src);
    24     while(!myqueue.empty())
    25     {
    26         int index = myqueue.front();
    27         myqueue.pop();
    28         if(index == des)            //找到了增广路径
    29             break;
    30         for(i=1;i<m+1;++i)
    31         {
    32             if(i!=src && capacity[index][i]>0 && pre[i]==-1)
    33             {
    34                  pre[i] = index; //记录前驱
    35                  flow[i] = min(capacity[index][i],flow[index]);   //关键:迭代的找到增量
    36                  myqueue.push(i);
    37             }
    38         }
    39     }
    40     if(pre[des]==-1)      //残留图中不再存在增广路径
    41         return -1;
    42     else
    43         return flow[des];
    44 }
    45 int maxFlow(int src,int des)
    46 {
    47     int increasement= 0;
    48     int sumflow = 0;
    49     while((increasement=BFS(src,des))!=-1)
    50     {
    51          int k = des;          //利用前驱寻找路径
    52          while(k!=src)
    53          {
    54               int last = pre[k];
    55               capacity[last][k] -= increasement; //改变正向边的容量
    56               capacity[k][last] += increasement; //改变反向边的容量
    57               k = last;
    58          }
    59          sumflow += increasement;
    60     }
    61     return sumflow;
    62 }
    63 int main()
    64 {
    65     int i,j;
    66     int start,end,ci;
    67     while(cin>>n>>m)
    68     {
    69         memset(capacity,0,sizeof(capacity));
    70         memset(flow,0,sizeof(flow));
    71         for(i=0;i<n;++i)
    72         {
    73             cin>>start>>end>>ci;
    74             if(start == end)               //考虑起点终点相同的情况
    75                continue;
    76             capacity[start][end] +=ci;     //此处注意可能出现多条同一起点终点的情况
    77         }
    78         cout<<maxFlow(1,m)<<endl;
    79     }
    80     return 0;
    81 }
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    显而易见capacity存变的流量,进行ek求解

    对于BFS找增广路:

    1.         flow[1]=INF,pre[1]=0;

            源点1进队列,开始找增广路,capacity[1][2]=40>0,则flow[2]=min(flow[1],40)=40;

            capacity[1][4]=20>0,则flow[4]=min(flow[1],20)=20;

            capacity[2][3]=30>0,则flow[3]=min(folw[2]=40,30)=30;

            capacity[2][4]=30,但是pre[4]=1(已经在capacity[1][4]这遍历过4号点了)

            capacity[3][4].....

            当index=4(汇点),结束增广路的寻找

            传递回increasement(该路径的流),利用前驱pre寻找路径,路径也自然变成了这样:

    2.flow[1]=INF,pre[1]=0;

     源点1进队列,开始找增广路,capacity[1][2]=40>0,则flow[2]=min(flow[1],40)=40;

            capacity[1][4]=0!>0,跳过

            capacity[2][3]=30>0,则flow[3]=min(folw[2]=40,30)=30;

            capacity[2][4]=30,pre[4]=2,则flow[2][4]=min(flow[2]=40,20)=20;

            capacity[3][4].....

            当index=4(汇点),结束增广路的寻找

            传递回increasement(该路径的流),利用前驱pre寻找路径,图也被改成

      

    接下来同理

    这就是最终完成的图,最终sumflow=20+20+10=50(这个就是最大流的值)

     

    PS,为什么要有反向边呢?

     

    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)

     

    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?回溯搜索吗?那么我们的效率就上升到指数级了。

    而这个算法神奇的利用了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。即在Dec(c[x,y],delta)的同时,inc(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

    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。

         那么,这么做为什么会是对的呢?我来通俗的解释一下吧。

    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。(有人问如果这里没有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,等于没有流量。

    这就是这个算法的精华部分,利用反向边,使程序有了一个后悔和改正的机会。而这个算法和我刚才给出的代码相比只多了一句话而已。

    至此,最大流Edmond-Karp算法介绍完毕。

         更复杂的最小值流问题 每条边不仅有容量 还有单位流的价值 求解所有最大流中最小价值的流。最大流和最小值流问题都是仍然在研究中。

    转自:http://www.cnblogs.com/zsboy/archive/2013/01/27/2878810.html

    部分转载于:http://www.wutianqi.com/?p=3107

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/oudan/p/4080555.html
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