网络流的认识

网络流的认识

什么是流网络

网络（network）是指一个特殊的有向图 \(G = (V,E)\)，其与一般有向图的不同之处在于有容量和源汇点，不考虑反向边。
其中，我们有以下变量来方便表示：

• \(S\)：源点
• \(T\)：汇点
• \(c(u,v)\)：表示从 \(u\) 到 \(v\) 这条有向边的容量为 \(c(u,v)\).
• \(f(u,v)\)：表示从 \(u\) 到 \(v\) 这条有向边的流量为 \(f(u,v)\).

\[\text{图 } 1 \]

如上图，这就是一个流网络，其中 \(c(1,3)=4\) 表示的就是 \(1\) 到 \(3\) 的容量为 \(4\)，源点 \(S\) 往汇点 \(T\) 进行流水操作，其中 \(S\) 和 \(T\) 能容下水的量是无限量的。（这里的水只是打个比方，因为很像自来水工厂为我们供水）。

什么是可行流

可行流，通俗点讲，就是在每条变分配流水的多少，使能满足条件（这个在生活实际也能推出）。
条件显然为以下：

• 流量限制：\(0\leq f(u,v)\leq c(u,v)\)，你这条水管的流量如果大于容量，后果不堪设想。
• 流量守恒：抽象点讲，也就是你当前的点为 \(u\)，入点为 \(p_1,p_2,\dots,p_{k1}\)，出点分别为 \(q_1,q_2,\dots,q_{k2}\)，那么显然：

\[\sum_{i=1}^{i\leq k1}f(p_i,u)=\sum_{i=1}^{i\leq k2}f(u,q_i) \]

形象点讲，也就是我当前流入到这个点的水的量最终都会流出到我可以到的点。

我们用 \(f\) 表示一个可行流，如下图：

\[\text{图 } 2 \]

其中在 \(1\) 到 \(3\) 这条边上，\(f(1,3) = 2\)，\(c(1,3) = 4\)，显然满足条件：\(0\leq f(1,3) = 2\leq 4 = c(1,3)\).
你可以试试看，能否满足第二个条件？

什么是最大流

最大流（也称最大可行流）实际是在可行流中找一个方案，使得流入汇点 \(T\) 的水的量最大。我们用 \(|f|\) 表示 \(S\) 到 \(T\) 点流量总和。根据定义显然有下种公式：

\[|f| = \sum_{(u,v)\in E} f(u,v) - \sum_{(u,v)\in E} f(v,u). \]

在这里，右边的式子的第二个单项式 \(\sum_{(u,v)\in E} f(v,u)\) 可以忽略不计，为了严谨，考虑了反向边的情况。

What is 残留网络

概念和构建

残留网络总是针对原图 \(G =(V,E)\) 中的某一个可行流而言，因此，可以将残留网络看成是可行流的一个函数，通常记为 \(G_f\).
\(G_f = (V_f,E_f)\)，其中 \(V_f =V\)，\(E_f = E\) 和 \(E\) 中所有的反向边。
残留网络中的容量记为 \(c'(u,v)\)，且 \((u,v) \in E,(v,u) \in E\)，定义为：

\[c'(u,v) = \left\{\begin{matrix} c(u,v) - f(u,v)\quad (u,v)\in E\\ f(v,u) \quad (u,v)\in E \end{matrix}\right. \]

作用

可以通过 增广路径 的配合找到更大的流，使最后图中的最大流最大。

增广路径

定义

如果从源点 \(S\) 出发沿着残留网络中容量大于 \(0\) 的边走，可以走到汇点 \(T\)，那么将走过的边所组成的路径称为增广路径。
在这里我们发现：原网络可行流+残留网络可行流也是原网络的一个可行流
抽象点说（正式点说），\(f+f'\) 属于 \(G\) 的一个可行流，且有：

\[|f + f'| = |f| + |f'| \]

割

在网络中定点的一个划分，把所有顶点分成两个集合 \(S\) 和 \(T\)，其中 \(S\in S,T\in T\)，而且有 \(S\cup T=V,S\cap T=\emptyset\)，记为 \([S,T]\).

割的容量

指连接两个点集的边的容量总和，即 \(c(S,T)=\sum_{u\in S}\sum_{v\in T}c(u,v)\)

割的流量

指指连接两个点集的边的流量总和，
由上同理可得：

\[f(S,T) = \sum_{u\in S}\sum_{v\in T}(c(u,v)-c(v,u)) \]

有反向边时，\(c(v,u)\) 才有确值。
显然：

\[0\leq f(S,T)\leq c(S,T) \]

最小割

指 \(G\) 中所有割组成的集合中，容量最小的元素。

最大流最小割定理

以下 \(3\) 个，知 \(1\) 得 \(2\)：

• \(1\)、\(f\) 是最大流
• \(2\)、\(G_f\) 不存在增广路
• \(3\)、\(∃[S,T]\)，满足 \(|f|=c(S,T)\)（\(∃\)表示存在一个）。

证明：

• 证明 \(1\rightarrow 2\)：
  反证即可，若存在增广路就会使得当前的 \(f\) 不是最大流，也就是 \(|f| + |f'|>|f|\)，由条件又可知道：\(|f|\) 最大，所以说当 \(G_f\) 不存在增广路时，\(f\) 为最大流。
• 证明 \(2\rightarrow 3\)：
  我们将对于 \(G_f\) 中从 \(S\) 出发沿着容量大于 \(0\) 的边可以到达的点全部放入集合 \(S\) 中，然后令 \(T = V - S\)，那么对于点 \(x\in S,y\in Y\)，边 \((x,y)\) 必有 \(f(x,y) = c(x,y)\)。
• 证明 \(3\rightarrow 1\)：
  因为 \(|f|\leq \text{最大流}\leq c(S,T)\)，而由 \(3\) 可知 \(|f|=c(S,T)\)，故上式取等，即 \(f\) 是最大流。

求最大流

基于上述定理，我们可以不断寻找增广路，利用增广路更新残留网络，直到找不到增广路，即可求得最大流。

EK 算法

时间复杂度 \(O(nm^2)\)

graph TD A[拿到原图] -->|改图| B(残留网络) B --> C(找增广路) C --> d{是否存在增广路到达 T} d -->|是| D[更新残留网络] D --> |继续寻找|C d -->|否| E[找到最大流] E --> F[输出]

Code1

#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;

const int INF=1e9;
const int N=1005, M=10010;
int n, m, S, T;
struct node{
	int to, c, next;
}e[M<<1];
int h[N], tot;

// 残量网络建图，初始时正向的容量是 c, 反向容量是 0 。
void add(int u, int v, int c){
	e[tot].to=v, e[tot].c=c, e[tot].next=h[u], h[u]=tot++;
	e[tot].to=u, e[tot].c=0, e[tot].next=h[v], h[v]=tot++;	
}

int lim[N], pre[N]; // lim[u] 表示 S 到点 u 路径容量的最小值， pre[u] 表示 u 的前驱边。
bool vis[N];
int q[N];

// bfs 找增广路。
bool bfs(){
	memset(vis, false, sizeof vis);
	int hh=0, tt=-1;
	q[++tt]=S, vis[S]=true, lim[S]=INF;
	
	while(tt>=hh){
		int hd=q[hh++];
		for(int i=h[hd]; ~i; i=e[i].next){
			int go=e[i].to;
			if(vis[go] || !e[i].c) continue;
			vis[go]=true, q[++tt]=go;
			lim[go]=min(lim[hd], e[i].c);
			pre[go]=i;
			if(go==T) return true;
		}
	}
	return false;
}

int EK(){
	int res=0;
	while(bfs()){
		res+=lim[T];
		for(int i=T; i!=S; i=e[pre[i]^1].to){
			e[pre[i]].c-=lim[T], e[pre[i]^1].c+=lim[T];
		}
	}
	return res;
}
int main(){
	memset(h, -1, sizeof h);
	cin>>n>>m>>S>>T;
	while(m--){
		int u, v, c; cin>>u>>v>>c;
		add(u, v, c);
	}	
	cout<<EK()<<endl;
	return 0;
}

Code2

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <queue>
#include <cstring>
#define N 1007
#define M 10007
#define int long long
using namespace std;
const int INF = 1e9 + 7;
struct node{
	int to,val,nxt;
}e[M << 1];
int n, m, S, T, tot;
int head[N],dis[N],pre[N];
bool vis[N];
queue<int> q;
void add(int a,int b,int c) {
	e[tot].to = b, e[tot].val = c, e[tot].nxt = head[a], head[a] = tot++;
	e[tot].to = a, e[tot].val = 0, e[tot].nxt = head[b], head[b] = tot++;
}
bool bfs() {
	while(!q.empty()) q.pop();
	memset(vis,false,sizeof vis);
	q.push(S), vis[S] = true, dis[S] = INF;
	while(!q.empty()) {
		int t = q.front();
		q.pop();
		for (int i = head[t];i != -1;i = e[i].nxt) {
			int v = e[i].to;
			if (!vis[v] && e[i].val) {
				vis[v] = true;
				dis[v] = min(dis[t],e[i].val);
				pre[v] = i;
				if (v == T) return true;
				q.push(v);
			}
		}
	}
	return false;
}
int EK(){
	int r = 0;
	while(bfs()) {
		r += dis[T];
		for (int i = T;i != S;i = e[pre[i] ^ 1].to)
			e[pre[i]].val -= dis[T], e[pre[i] ^ 1].val += dis[T];
	}
	return r;
}

signed main(){
	cin >>n >> m >> S>> T;
	memset(head, -1,sizeof head);
	for(;m--;) {
		int a,b,c;
		cin >> a >> b >> c;
		add(a,b,c);
	}
	cout << EK();
	return 0;
}

Dinic 算法

多路增广，时间复杂度 \(O(n^2m)\)

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define int long long
#define gc() (st==ed&&(ed=(st=buf)+fread(buf,1,100000,stdin),st==ed)?EOF:*st++)
char buf[100001],*st=buf,*ed=buf;
void read(int &a){
    a=0;char c=gc();
    while(c>'9'||c<'0')c=gc();
    while(c>='0'&&c<='9')a=a*10+c-48,c=gc();
}

const int INF=0x3f3f3f3f;
const int N=10010, M=1e5+5;

struct node{
    int to, c, next;
}e[M<<1];
int h[N], tot;

void add(int u, int v, int cap){
    e[tot].to=v, e[tot].c=cap, e[tot].next=h[u], h[u]=tot++;
    e[tot].to=u, e[tot].c=0, e[tot].next=h[v], h[v]=tot++;  
}

int n, m, S, T;

int d[N], q[N], cur[N];

bool bfs(){
    memset(d, -1, sizeof d);
    int tt=-1, hh=0;
    q[++tt]=S, d[S]=0, cur[S]=h[S];

    while(tt>=hh){
        int hd=q[hh++];
        for(int i=h[hd]; ~i; i=e[i].next){
            int go=e[i].to;
            if(d[go]==-1 && e[i].c){
                d[go]=d[hd]+1;
                cur[go]=h[go];
                if(go==T) return true;
                q[++tt]=go;
            }
        }
    }
    return false;
}

int find(int u, int limit){
    if(u==T) return limit;
    int flow=0;
    for(int i=cur[u]; ~i && flow<limit; i=e[i].next){
        cur[u]=i;
        int go=e[i].to;
        if(d[go]==d[u]+1 && e[i].c){
            int t=find(go, min(e[i].c, limit-flow));
            if(!t) d[go]=-1;
            e[i].c-=t, e[i^1].c+=t, flow+=t;
        }
    }
    return flow;
}

int dinic(){
    int res=0, flow;
    while(bfs()) while(flow=find(S, INF)) res+=flow;
    return res;
}

signed main(){
    memset(h, -1, sizeof h);
    read(n), read(m), read(S), read(T);
    while(m--){
        int u, v, cap; read(u), read(v), read(cap);
        add(u, v, cap);
    }

    cout<<dinic()<<endl;

    return 0;
}

完结。