• 一般图最大匹配-带花树算法


    问题

    对于一个图(G(V,E)),它的匹配(M)是二元组((u,v))组成的集合,其中(u,vin V,(u,v)in E),并且(M)中不存在重复的点。

    (|M|)最大的时候,我们称(M)(G)的最大匹配。

    (G)是一个二分图的时候,它的最大匹配可以用经典的匈牙利算法或网络流算法求解。然而当(G)是一个一般的图时,直接进行增广就变得不可行了,例如下面这个例子(论文中的图):

    1

    这个问题出现的原因,就是一个一般图中会含有奇环,即一个点数为(2k+1,k>0)的环,而如果经过一个奇环,那么会得到两条含有同一个点的匹配边,这其实是不符合定义的。那为什么二分图可以直接增广呢?因为二分图中不可能含有奇环,它所有的环都是偶环。因此,在一般图匹配问题中,我们需要一种改进算法来解决奇环的问题。

    算法

    基本算法依然是分为(n)个阶段寻找增广路。问题主要在奇环上,那么我们分析一下这个奇环的性质。首先,奇环中有(2k+1)个点,所以最多有(k)组匹配。这就是说,有一个点没有匹配,即这个点在环内两边的连边都不是匹配边,也只有这个点可以向环外连边。

    发现了这个性质,我们可以把整个奇环缩成一个点。缩完点后的图如果可以找到一条增广路,那么原图中也可以找到一条增广路,因为如果增广路经过奇环那么奇环内的增广路可以还原出来。

    这就是带花树算法的思想。整个求解过程分为(n)个阶段,每个阶段从没有匹配的(s)点开始bfs找增广路。搜索的开始,把(s)点加入队列中,标记它为A类点。如果从(x)点出发,搜索到了一个未标记的点,有两种情况。如果这个未标记点有匹配,那么把这个点设为(B)类点,它的匹配点设为(A)类点,加入队列继续增广。如果这个点没有匹配,又因为我们是从一个未匹配点开始进行搜索的,所以这说明我们找到了一条增广路,沿着过来的边找回去,展开带花树,修改搜索的过程中,如果我们遇到了偶环,那么不管它,因为它不会影响求解。如果遇到了一个奇环,那么我们找到当前点(x)和找到的点(v),求出他们的最近公共花祖先,然后把环缩掉。这里我们用并查集实现。

    我们在缩环的时候,处理出一个(pre)数组,表示我们回跳的时候走到这里该往哪一个方向走回去。回跳的时候,每次找到pre,然后修改这条边,接着跳到pre原来的match处。如果我们倒着进入一个花的时候,上方的边为非匹配边,那么我们会往下走,这个时候pre就应该往下设。中间相遇的位置pre互相连接,pre[x]=y,pre[y]=x

    算法分为(n)个阶段,每个阶段最多把整个图遍历一次,每个点会最多被缩(n)次花,所以总复杂度为(O(n^3))

    代码

    uoj79,一般图匹配模板题。

    #include<cstdio>
    #include<cctype>
    #include<cstring>
    #include<algorithm>
    using namespace std;
    int read() {
    	int x=0,f=1;
    	char c=getchar();
    	for (;!isdigit(c);c=getchar()) if (c=='-') f=-1;
    	for (;isdigit(c);c=getchar()) x=x*10+c-'0';
    	return x*f;
    }
    const int maxn=505;
    const int maxm=maxn*maxn*2;
    int n,m,que[maxm],ql,qr,pre[maxn],tim=0;
    struct edge {
    	int v,nxt;
    } e[maxm];
    int h[maxn],tot=0;
    int match[maxn],f[maxn],tp[maxn],tic[maxn];
    int find(int x) {
    	return f[x]==x?f[x]:f[x]=find(f[x]);
    }
    void add(int u,int v) {
    	e[++tot]=(edge){v,h[u]};
    	h[u]=tot;
    }
    int lca(int x,int y) {
    	for (++tim;;swap(x,y)) if (x) {
    		x=find(x);
    		if (tic[x]==tim) return x; else tic[x]=tim,x=pre[match[x]];
    	}
    }
    void shrink(int x,int y,int p) {
    	while (find(x)!=p) {
    		pre[x]=y,y=match[x];
    		if (tp[y]==2) tp[y]=1,que[++qr]=y;
    		if (find(x)==x) f[x]=p;
    		if (find(y)==y) f[y]=p;
    		x=pre[y];
    	}
    }
    bool aug(int s) {
    	for (int i=1;i<=n;++i) f[i]=i;
    	memset(tp,0,sizeof tp),memset(pre,0,sizeof pre);
    	tp[que[ql=qr=1]=s]=1; // 1: type A ; 2: type B
    	int t=0;
    	while (ql<=qr) {
    		int x=que[ql++];
    		for (int i=h[x],v=e[i].v;i;i=e[i].nxt,v=e[i].v) {
    			if (find(v)==find(x) || tp[v]==2) continue; 
    			if (!tp[v]) {
    				tp[v]=2,pre[v]=x;
    				if (!match[v]) {
    					for (int now=v,last,tmp;now;now=last) {
    						last=match[tmp=pre[now]];
    						match[now]=tmp,match[tmp]=now;
    					}
    					return true;
    				} 
    				tp[match[v]]=1,que[++qr]=match[v];
    			} else if (tp[v]==1) {
    				int l=lca(x,v);
    				shrink(x,v,l);
    				shrink(v,x,l);
    			}
    		}
    	}	
    	return false;
    }
    int main() {
    #ifndef ONLINE_JUDGE
    	freopen("test.in","r",stdin);
    	freopen("my.out","w",stdout);
    #endif
    	n=read(),m=read();
    	for (int i=1;i<=m;++i) {
    		int x=read(),y=read();
    		add(x,y),add(y,x);
    	}
    	int ans=0;
    	for (int i=1;i<=n;++i) ans+=(!match[i] && aug(i));
    	printf("%d
    ",ans);
    	for (int i=1;i<=n;++i) printf("%d ",match[i]);
    	puts("");
    	return 0;
    }
    
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