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。
当(|M|)最大的时候,我们称(M)为(G)的最大匹配。
当(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):
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;
}