网络流（一）——Edmonds Karp算法

首先是一些关于网络流的术语：

源点：即图的起点。
汇点：即图的终点。
容量：有向边(u,v)允许通过的最大流量。
增广路：一条合法的从源点流向汇点的路径。

网络流问题是在图上进行解决的，我们通常可以将问题转化为：

给定一个有向图,每条边有一个容量，有两个点被标记做了源点与汇点，你要确定尽量多的从源点到汇点的路径，每条边被经过的次数不得超过它的容量。我们将一个合法解称作一个流,一条边被经过的次数称作其流量，最终流的总和称作整个流的流量。

我们的限制转化为:

每条边被经过的次数不得超过它的容量->每条边的流量不超过其流量，流由若干从源点到汇点的路径组成->除源点和汇点外,对于每个点,流入它的流量和等于从它流出的流量和。最大化整个流的流量->最大化从源点流出的流量。

前两个条件分别被称为容量限制和流量平衡。

可以显然地想到一个(不正确的)解法,即不停地找一条任意的路径并流过去。

如何做到"可以反悔"呢？

减少一条边上k的流量，相当于反向流过来k的流量。这个还是比较显然的。假设你把一些货物从a地运到b地,后来你发现运错了,那就再运回来就行了。定义一条边的残量,是指它还能流多少流量(即容量减去当前流量)。

刚刚的反思告诉我们:

在一条边流过去之后，我们需要反过来建一条边。如果边u流过去了一些流量，那么我们需要建一条反过来的边，比如叫做v。v的残量即为u当前的流量。沿着v流一些流量，对应到原问题中相当于在u这条边上少流了一些流量。这就是网络流最大流的核心思想。

FF方法
(1)在残量网络上找到一条从源点到汇点的道路(称为"增广路")
(2)取增广路上残量最小值v
(3)将答案加上v
(4)将增广路上所有边的残量减去v，而它们的反向边的残量加上v。
重复这个过程直到找不到增广路，就可以求出最大流。
步骤4中,一条边的反向边的反向边即为这条边本身(即它们两个互为反向边)。
首先这个算法是不会死循环的,因为每次增广都导致流量增加(并且增加的是整数),而流量有一个客观存在的最大值,所以它必定结束。
由于他没有指定存在多条增广路的时候选哪一条,所以我们先考虑最简单的情况:随便找一条。
经过实践,我们可以想到只增广最短路径。

然后讲一下EK算法：

EK算法

是FF的一种实现:每次寻找增广路增广。可以证明其复杂度是O((m^2)*n)的。

首先我们考虑该如何建反向边：

我们选择用邻接表存边（邻接矩阵受数据范围限制，一般无法开心的使用），那么反向边的编号该如何处理，才能使这两条边相互关联起来？

答案之一就是异或（不会请自行百科）:

0^1 = 1, 1^1 = 0;

2^1 = 3, 3^1 = 2;

4^1 = 5, 5^1 = 4;

于是我们发现，异或1这一操作，可以将相邻的两个整数关联起来（偶数在前，奇数在后），然后我们可以选择从零开始存在，完美解决存边问题。

 

至于算法的核心思想，其实就是FF方法，只是进行了具体实现。

来一波核心代码：

 

int EK(int s, int t)    //s为源点，为汇点
{
    int DIS = 0;        //DIS用来记每次BFS找到的增广路的最大流量
    int ans = 0;　　　　 //ans用来记最终答案
    while ((DIS = BFS(s, t)) != -1)
    {
        int cur = t;
        while (cur != s)//根据BFS得出的前驱（pre）数组遍历路径，更改容量
        {
            e[pre[cur]].w -= DIS;
            e[pre[cur] ^ 1].w += DIS;
            cur = e[pre[cur]].from;
        }
        ans += DIS;
    }
    return ans;         //返回答案
}

 

BFS的任务是得出的前驱（pre）数组（就是一条增广路），并记录到每个点为止的最大流量（flow）数组。

BFS找到一条增广路就应该返回。且不走重点（否则复杂度将无法承受）。

完整代码：

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cmath>
#include <queue>
#include <cctype>

using namespace std;

const int MAXN = 10010;
const int INF = 99999999;

struct Edge {
    int from;
    int to;
    int w;
    int next;
}e[MAXN << 5];

int n, m, s, t, x, y, z;
int cnt = -1;
int f[MAXN];
int pre[MAXN];
int flow[MAXN];

queue <int> q;

int min(int a, int b)
{
    if (a <= b) return a;
    else return b;
}

int read()
{
    int x = 0;
    int k = 1;
    char c = getchar();

    while (!isdigit(c))
        if (c == '-') k = -1, c = getchar();
        else c = getchar();

    while (isdigit(c))
        x = x * 10 + c - '0',
        c = getchar();
    return k * x;
}

int BFS(int s, int t)
{
    while (!q.empty()) q.pop();
    memset(pre, -1, sizeof(pre));
    memset(flow, 0x7f, sizeof(flow));
    pre[s] = 0;
    q.push(s);
    flow[s] = INF;
    while (!q.empty())
    {
        int cur = q.front();
        q.pop();

        if (cur == t) break;

        for (int i = f[cur]; i != -1; i = e[i].next)
        {
            if (pre[e[i].to] == -1 && e[i].w > 0)
            {
                pre[e[i].to] = i;
                flow[e[i].to] = min(flow[cur], e[i].w);
                q.push(e[i].to);
            }
        }
            
    }
    if (pre[t] == -1) return -1;
    return flow[t];
}

void Add_edge(int from, int to, int w)
{
    ++cnt;
    e[cnt].from = from;
    e[cnt].to = to;
    e[cnt].w = w;
    e[cnt].next = f[from];
    f[from] = cnt;
}

int EK(int s, int t)
{
    int DIS = 0;
    int ans = 0;
    while ((DIS = BFS(s, t)) != -1)
    {
        int cur = t;
        while (cur != s)
        {
            e[pre[cur]].w -= DIS;
            e[pre[cur] ^ 1].w += DIS;
            cur = e[pre[cur]].from;
        }
        ans += DIS;
    }
    return ans;
}

int main()
{
    n = read();
    m = read();
    s = read();
    t = read();

    memset(f, -1, sizeof(f));

    for (int i = 1; i <= m; ++i)
    {
        x = read();
        y = read();
        z = read();
        Add_edge(x, y, z);
        Add_edge(y, x, 0);
    }

    cout << EK(s, t);
    char c = getchar();
    return 0;
}