• hihoCoder#1122(二分图最大匹配之匈牙利算法)


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    描述

    上一回我们已经将所有有问题的相亲情况表剔除了,那么接下来要做的就是安排相亲了。因为过年时间并不是很长,所以姑姑希望能够尽可能在一天安排比较多的相亲。由于一个人同一天只能和一个人相亲,所以要从当前的相亲情况表里选择尽可能多的组合,且每个人不会出现两次。不知道有没有什么好办法,对于当前给定的相亲情况表,能够算出最多能同时安排多少组相亲呢?

    同样的,我们先将给定的情况表转换成图G=(V,E)。在上一回中我们已经知道这个图可以被染成黑白两色。不妨将所有表示女性的节点记为点集A,表示男性的节点记为点集B。则有A∪B=V。由问题可知所有边e的两个端点分别属于AB两个集合。则可以表示成如下的图:

    同样的,我们将所有的边分为两个集合。集合S和集合M,同样有S∪M=E。边集S表示在这一轮相亲会中将要进行的相亲,边集M表示在不在这一次进行。对于任意边(u,v) ∈ S,我们称u和v为一组匹配,它们之间相互匹配。在图G,我们将边集S用实线表示,边集M用虚线表示。得到下图:

    则原问题转化为,最多能选择多少条边到集合S,使得S集合中任何两条边不相邻(即有共同的顶点)。显然的,|S|<=Min{|A|, |B|}。

    那么能不能找到一个算法,使得能够很容易计算出尽可能多的边能够放入集合S?我们不妨来看一个例子:

    对于已经匹配的点我们先不考虑,我们从未匹配的点来做。这里我们选择A集合中尚未匹配的点(A3和A4)考虑:

    对于A3点,我们可以发现A3与B4右边相连,且都未匹配。则直接将(A3,B4)边加入集合S即可。

    对于A4点,我们发现和A4相连的B3,B4点都已经匹配了。但是再观察可以发现,如果我们将A2和B2相连,则可以将B3点空出来。那么就可以同时将(A2,B2),(A4,B3)相连。将原来的一个匹配变成了两个匹配。

    让我们来仔细看看这一步:我们将这次变换中相关联的边标记出来,如下图所示紫色的3条边(A2,B2),(A2,B3),(A4,B3)。

    这三条边构成了一条路径,可以发现这条路径有个非常特殊的性质。虚线和实线相互交错,并且起点和终点都是尚未匹配的点,且属于两个不同的集合。我们称这样的路径为交错路径。

    再进一步分析,对于任意一条交错路径,虚线的数量一定比实线的数量多1。我们将虚线和实线交换一下,就变成了下面的图:

    在原来1个匹配的基础上,我们得到了2个新的匹配,S集合边的数量也增加了1。并且原来在已经匹配的点仍然是已经匹配的状态。

    再回头看看A3点匹配时的情况:对于(A3,B4)这一条路径,同样满足了交错路径的性质。

    至此我们得到了一个找新匹配的有效算法:

    选取一个未匹配的点,查找是否存在一条以它为起点的交错路径。若存在,将该交错路径的边虚实交换。否则在当前的情况下,该点找不到可以匹配的点。

    又有对于已经匹配的点,该算法并不会改变一个点的匹配状态。所以当我们对所有未匹配的点都计算过后,仍然没有交错路径,则不可能找到更多的匹配。此时S集合中的边数即为最大边数,我们称为最大匹配数。

    那么我们再一次梳理整个算法:

    1. 依次枚举每一个点i; 
    2. 若点i尚未匹配,则以此点为起点查询一次交错路径。

    最后即可得到最大匹配数。

    在这个基础上仍然有两个可以优化的地方:

    1.对于点的枚举:当我们枚举了所有A中的点后,无需再枚举B中的点,就已经得到了最大匹配。
    2.在查询交错路径的过程中,有可能出现Ai与Bj直接相连,其中Bj为已经匹配的点,且Bj之后找不到交错路径。之后又通过Ai查找到了一条交错路径{Ai,Bx,Ay,…,Az,Bj}延伸到Bj。由于之前已经计算过Bj没有交错路径,若此时再计算一次就有了额外的冗余。所以我们需要枚举每个Ai时记录B集合中的点是否已经查询过,起点不同时需要清空记录。

    伪代码

    输入

    第1行:2个正整数,N,M(N表示点数 2≤N≤1,000,M表示边数1≤M≤5,000)
    第2..M+1行:每行两个整数u,v,表示一条无向边(u,v)

    输出

    第1行:1个整数,表示最大匹配数

    样例输入
    5 4
    3 2
    1 3
    5 4
    1 5
    样例输出
    2
    #include <cstdio>
    #include <cstring>
    #include <vector>
    using namespace std;
    const int MAXN=1005;
    vector<int> arc[MAXN];
    int n,m;
    int match[MAXN],vis[MAXN];
    bool dfs(int u)
    {
        for(int i=0;i<arc[u].size();i++)
        {
            int to=arc[u][i];
            if(!vis[to])
            {
                vis[to]=1;
                int w=match[to];
                if(w==-1||dfs(w))//若to没有匹配或者之前与to匹配的w可以找到新的匹配,那么将u,v进行匹配 
                {
                    match[to]=u;
                    match[u]=to;
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
    int max_flow()
    {
        int ans=0;
        memset(match,-1,sizeof(match));
        for(int i=1;i<=n;i++)
        {
            if(match[i]==-1)
            {
                memset(vis,0,sizeof(vis));
                if(dfs(i))    ans++;
            }
        }
        return ans;
    }
    int main()
    {
        while(scanf("%d%d",&n,&m)!=EOF)
        {
            for(int i=1;i<=n;i++)    arc[i].clear();
            for(int i=0;i<m;i++)
            {
                int u,v;
                scanf("%d%d",&u,&v);
                arc[u].push_back(v);
                arc[v].push_back(u);
            }
            int res=max_flow();
            printf("%d
    ",res);
        }
        return 0;
    }
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