初步了解网络流

网络流 ———— 从零开始(的异世界)

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最大流

首先,我们要知道什么是网络流,我们可以类比水流在水管里面的流动,假设在一个类似于有向图中的水管道中,有一个自来水厂S点,里面有源源不断的自来水流出,然后在另一个T点有一个饥♂渴的人正在等待着喝水,他已经0x7fffffff年没有喝过水啦,所以我们要想办法能让他喝到尽可能多的水。我们知道,每一根管子都有各自的粗♂细,也就是容量,从S点流出的流量不能超过这条路径上的任意一条边的容量,不然管子就会爆掉的。
而求这个人能够喝到的水的最大量就是最大流问题。这个S点称为源点,这个T点称为汇点,这样的图就叫做网络流
比如下面这个图的最大流就是1+2+2=5
picture1
要注意:一个图的最大流路径并不是只有一个(有例外啦),比如上图在上方就是1,中间就是2,下方也是2,然后才总汇成了最大流5
然后是可行流,就是假如所有边上的流量都没有超过容量,那么这一组流称为一组可行流,而很显然,一个网络流的最大流就是所有可行流中流量最大的一种。然后可行流中最简单的就是零流。也就是流量为0啦。
然后对于求最大流的算法,这里;列举出了两种:

1:EK算法 (EdmondsKarp)

首先,我们从最简单的零流开始,假设我们搜索到了一条路径A,从源点可以到达汇点,即A:{S->a1->a2->...->T},然后要注意,这条路上的每一条边满足的条件是流量<容量。并不是<=,因为这样会造成程序死循环。
然后我们可以找到这条路上的每一条边的剩余量的最小值rest,就是说我这个流的每一条边都有这rest的容量剩余,那么显而易见,我们将这条路上的所有边的流量都加上rest仍然是一个可行流。
就这样,我们找到了一个比一开始的流更大的流,也就是之前的流量+rest,我们称这条路为增广路。我们从S开始不断地寻找增广路,每次增广候我们都会得到一个比原来更大的流。这也就是为什么之前的流量是严格小于容量的,如果是=的话,程序就会一直寻找到rest的最小值为0,就会形成死循环。

而当找不到增广路的时候,当前的流就是最大流了。

然后具体的算法实现还是有些东西的。举一个已经用烂了的例子来说明吧。
picture2
在这里,我们假设傻傻的程序先找到了1->2->3->4这条路径,我们就会发现程序找出来的最大流为1,然后更改{1->2}、{2->3}、{3->4}的rest0
picture3
然而我们能很明显的看出来如果流{1->2->4}、{1->3->4}的话,能够得到更大的流量2,于是我们就知道这个程序是有问题的咯。所以我们反思:为什么会出错呢?
答案就是:你可能很聪明,一眼就看出来怎么走,但是程序是傻的,它只会按照你给的机制跑,但是很无奈你并没有给它一个反悔的机制,于是就凉凉了~
在这里我们采用加反向边的做法,对每一条{a[i]>a[j]}都建一条容量为0的反向边{a[j]>a[i]}。然后整个图建完是这样的:

picture4
我们在每一次找到增广路的时候会将每一段的容量减少rest,同时我们也将这些反向边容量增加rest。即:

cap[a[i]][a[j]]-=rest; cap[a[j]][a[i]]+=rest;

然后按刚才的方法我们先找到了1->2->3->4,然后更改.
然后我们再次寻找增广路,找到1->3->2->4,rest1,再次增广之后,我们得到了最大流2。就相当与是把流进来的2->4又给退了回去,最后结果就是选了1->2->41->3->4。这就是原由。
而这个网络流版本就是EK算法。

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#define MAXN 100010 #define INF 0x7fffffff bool visit[MAXN]; int pre[MAXN]; queue<int> q; void update(int now,int rest){ while(pre[now]){ map[pre[now]][now]-=rest;//正向的-=rest map[now][pre[now]]+=rest;//负向的+=rest now=pre[now]; } } int find(int S,int T){//寻找增广路流量 memset(visit,0,sizeof(visit)); memset(pre,-1,sizeof(pre)); visit[S]=1; int minn=INF; q.push(S); while(!q.empty()){ int now=q.front(); q.pop(); if(now==t) break; for(int i=1;i<=m;i++){ if(!visit[i]&&MAP[now][i]){ q.push(i); minn=min(minn,map[now][i]);//最小的rest pre[i]=now; visit[i]=1; } } } if(pre[i]==-1) return 0; return minn; } int EK(int S,int T){ //EK算法主体 int new_flow=0;//增广路的流量 int max_flow=0;//最大流 do{ new_flow=find(S,T); update(T,new_flow); max_flow+=new_flow; }while(new_flow); return max_flow; }

恩,EK算法差不多就是这个样子。

Dinic算法

首先我们要知道几个重要的基本概念:

1.cap[u][v]=cap[v][u]
2.(pE)cap[p][u]==(pE)cap[u][p]

Dinic也是基于增广路的思想进行运算的,我们用另一种方式重申一遍增广路的基本步骤
1.找到一条从源点到汇点的路径,使得这条路径上任意一条边的残余流量rest>0,这条路径便称为增广路
2.找到这条路径上最小的restminrest,然后将这条路径上的所有边的rest减去这个minrest,对于我们建的反向边的rest都加上这个minrest
重复此上的过程,直到再也找不到增广路,此时我们就找到了最大流。
然后在我们的Dinic算法中我们引入分层图的概念,具体就是对于每一个点,我们根据从源点开始的BFS序列,给每一个点分配一个deep,深度,然后我们进行不断的DFS寻找增广路,而每一次我们由now推出to必须保证deep[to]==deep[now]+1; 下面是Dinic的代码流程。

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#define MAXN 100010 #define INF 0x7fffffff int n,m,s,t;//n:点数,m:边数,s:源点,t:汇点 struct node{//前向星不解释 int from; int to; int next; int rest;//每一条边的剩余流量 }edge[MAXN*100]; int head[MAXN],total=-1; void add(int f,int t,int l){ total++; edge[total].from=f; edge[total].to=t; edge[total].rest=l; edge[total].next=head[f]; head[f]=total; } int deep[MAXN];//深度 queue<int> q;//BFS用队列 bool bfs(){//bfs用来寻找分层图,增广路 while(!q.empty()) q.pop();//清空队列 memset(deep,0,sizeof(deep));//清空深度 deep[s]=1; q.push(s);//处理源点 do{ int now=q.front(); q.pop();//取队首 for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next){ if(edge[i].rest&&!deep[edge[i].to]){ //如果这条边还有rest并且这个点还没有被发放deep deep[edge[i].to]=deep[now]+1; q.push(edge[i].to);//入队列接着bfs } } }while(!q.empty()); if(deep[t]==0) return 0; //当没有汇点的深度时,说明不存在分层图,也就没有增广路 else return 1; //有增广路,可以跑Dinic。 } int dfs(int now,int flow){//now:当前节点,flow:当前流量 if(now==t||!flow) return flow; int res=0; for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next){ if(deep[edge[i].to]==deep[now]+1&&edge[i].rest){ //如果满足分层图并且rest不为0 int rest=dfs(edge[i].to,min(flow,edge[i].rest)); //接着向下dfs。 if(rest>0){//增广成功 edge[i].rest-=rest;//正向边减去剩余流量 edge[i^1].rest+=rest;//负向边加上剩余流量 res+=rest; flow-=rest; } } } return res;//没有增广路的话,就返回0. } int Dinic(){ int ans=0; //用来记录最大流量 while(bfs()){ while(int d=dfs(s,INF)) ans+=d; } return ans; }

然后我们可以在Dinicdfs当中进行一个当前弧优化就是说:我们DFS的时候不从第一条边开始,用一个数组cur记录点now之前循环到了那一条边,就可以起到优化的效果,但是要注意:每一次在Dinic函数中建立完一次分层图都要把cur置为每一个点的第一条边。

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#define MAXN 100010 #define INF 0x7fffffff int n,m,s,t;//n:点数,m:边数,s:源点,t:汇点 struct node{//前向星不解释 int from; int to; int next; int rest;//每一条边的剩余流量 }edge[MAXN*100]; int head[MAXN],total=-1; void add(int f,int t,int l){ total++; edge[total].from=f; edge[total].to=t; edge[total].rest=l; edge[total].next=head[f]; head[f]=total; } int cur[MAXN];//这就是那个cur,用来当前弧优化 int deep[MAXN];//深度 queue<int> q;//BFS用队列 bool bfs(){//bfs用来寻找分层图,增广路 while(!q.empty()) q.pop();//清空队列 memset(deep,0,sizeof(deep));//清空深度 deep[s]=1; q.push(s);//处理源点 do{ int now=q.front(); q.pop();//取队首 for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next){ if(edge[i].rest&&!deep[edge[i].to]){ //如果这条边还有rest并且这个点还没有被发放deep deep[edge[i].to]=deep[now]+1; q.push(edge[i].to);//入队列接着bfs } } }while(!q.empty()); if(deep[t]==0) return 0; //当没有汇点的深度时,说明不存在分层图,也就没有增广路 else return 1; //有增广路,可以跑Dinic。 } int dfs(int now,int flow){//now:当前节点,flow:当前流量 if(now==t||!flow) return flow; int res=0; for(int& i=cur[now];i!=-1;i=edge[i].next){ //这就是当前弧优化的主要部分,前面的&是为了让cur和i一起变化 if(deep[edge[i].to]==deep[now]+1&&edge[i].rest){ //如果满足分层图并且rest不为0 int rest=dfs(edge[i].to,min(flow,edge[i].rest)); //接着向下dfs。 if(rest>0){//增广成功 edge[i].rest-=rest;//正向边减去剩余流量 edge[i^1].rest+=rest;//负向边加上剩余流量 res+=rest; flow-=rest; } } } return res;//没有增广路的话,就返回0. } int Dinic(){ int ans=0; //用来记录最大流量 while(bfs()){ for(int i=1;i<=n;i++) cur[i]=head[i];//不要忘了重置 while(int d=dfs(s,INF)) ans+=d; } return ans; }

最大流模板题

Link
下面放上的是洛谷P3376的网络流模板题,就是为了存个完整代码...

题目描述

如题,给出一个网络图,以及其源点和汇点,求出其网络最大流。
输入输出格式
输入格式:
第一行包含四个正整数N、M、S、T,分别表示点的个数、有向边的个数、源点序号、汇点序号。
接下来M行每行包含三个正整数ui、vi、wi,表示第i条有向边从ui出发,到达vi,边权为wi(即该边最大流量为wi)
输出格式:
一行,包含一个正整数,即为该网络的最大流。

输入样例#1:
4 5 4 3
4 2 30
4 3 20
2 3 20
2 1 30
1 3 40
输出样例#1:
50
样例说明:
pic
题目中存在3条路径:
4-->2-->3,该路线可通过20的流量
4-->3,可通过20的流量
4-->2-->1-->3,可通过10的流量(边4-->2之前已经耗费了20的流量)
故流量总计20+20+10=50。输出50。
通过证明:
picture7

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#include<iostream> #include<cstdio> #include<queue> #include<cstring> #include<algorithm> #define MAXN 100010 #define INF 0x7fffffff using namespace std; int n,m,s,t;//n:点数,m:边数,s:源点,t:汇点 struct node{//前向星不解释 int from; int to; int next; int rest;//每一条边的剩余流量 }edge[MAXN*100]; int head[MAXN],total=-1; void add(int f,int t,int l){ total++; edge[total].from=f; edge[total].to=t; edge[total].rest=l; edge[total].next=head[f]; head[f]=total; } int cur[MAXN];//这就是那个cur,用来当前弧优化 int deep[MAXN];//深度 queue<int> q;//BFS用队列 bool bfs(){//bfs用来寻找分层图,增广路 while(!q.empty()) q.pop();//清空队列 memset(deep,0,sizeof(deep));//清空深度 deep[s]=1; q.push(s);//处理源点 do{ int now=q.front(); q.pop();//取队首 for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next){ if(edge[i].rest&&!deep[edge[i].to]){ //如果这条边还有rest并且这个点还没有被发放deep deep[edge[i].to]=deep[now]+1; q.push(edge[i].to);//入队列接着bfs } } }while(!q.empty()); if(deep[t]==0) return 0; //当没有汇点的深度时,说明不存在分层图,也就没有增广路 else return 1; //有增广路,可以跑Dinic。 } int dfs(int now,int flow){//now:当前节点,flow:当前流量 if(now==t||!flow) return flow; int res=0; for(int& i=cur[now];i!=-1;i=edge[i].next){ //这就是当前弧优化的主要部分,前面的&是为了让cur和i一起变化 if(deep[edge[i].to]==deep[now]+1&&edge[i].rest){ //如果满足分层图并且rest不为0 int rest=dfs(edge[i].to,min(flow,edge[i].rest)); //接着向下dfs。 if(rest>0){//增广成功 edge[i].rest-=rest;//正向边减去剩余流量 edge[i^1].rest+=rest;//负向边加上剩余流量 res+=rest; flow-=rest; } } } return res;//没有增广路的话,就返回0. } int Dinic(){ int ans=0; //用来记录最大流量 while(bfs()){ for(int i=1;i<=n;i++) cur[i]=head[i];//不要忘了重置 while(int d=dfs(s,INF)) ans+=d; } return ans; } int main(){ scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t); for(int i=1;i<=n;i++) head[i]=-1; for(int i=1;i<=m;i++){ int x,y,l; scanf("%d%d%d",&x,&y,&l); add(x,y,l); add(y,x,0); } printf("%d",Dinic()); return 0; }

最小费用最大流

最小费用最大流的意思其实也很简单,我们现在已经知道最大流是什么了,而我们知道网络流的可行流有很多,而最大流也是不只有一个,题目在每一条边上设定了两个属性:1.cap流量,2.cost费用,要我们输出所有最大流方案中的最小费用。而最小费用最大流最大费用最大流统称费用流。那么接下来是最小费用最大流的完整的题目描述。
题目描述

如题,给出一个网络图,以及其源点和汇点,每条边已知其最大流量和单位流量费用,求出其网络最大流和在最大流情况下的最小费用。

输入输出格式

输入格式:
第一行包含四个正整数N、M、S、T,分别表示点的个数、有向边的个数、源点序号、汇点序号。

接下来M行每行包含四个正整数ui、vi、wi、fi,表示第i条有向边从ui出发,到达vi,边权为wi(即该边最大流量为wi),单位流量的费用为fi。

输出格式:

一行,包含两个整数,依次为最大流量和在最大流量情况下的最小费用。#

大家还记得我们在讲解最大流的时候讲过一种叫做EK的算法吧,下面我们来回顾一下:
若一条从源点SS到汇点TT的路径上各条边的剩余容量都大于00,则称这条路径为一条增广路。显然,可以让一股流沿着增广路从SS流到TT,使网络的流量增大。

Edmonds-Karp 算法的思想就是不断用BFS寻找增广路,直至网络上不存在增广路为止。

在每轮寻找增广路的过程中,Edmonds-Karp 算法只考虑图中所有 f(x,y)<c(x,y)的边,用BFS找到任意一条从ST的路径,同时计算出路径上各边的剩余容量的最小值minf,则网络的流量就可以增加minf

需要注意的是,当一条边的流量f(x,y)>0时,根据斜对称性质,它的反向边流量f(x,y)<0,此时必有f(y,x)<c(y,x)。故Edmonds-Karp算法在 BFS时除了原图的边集E之外,还应该考虑遍历E中每条边的反向边。

在具体实现时,可以按照邻接表成对存储的技巧,把网络的每条有向边及其反向边存在邻接表下标相邻的两个位置,可以相互用xor\1xor得到。并且每条边只记录剩余容量cf即可。当一条边(x,y)流过大小为e的流时,令(x,y)的剩余流量减少e,(y,x)的剩余流量增大e

Edmonds-Karp算法的时间复杂度为O(nm2),在实际应用中则远远达不到这个上界,效率较高,一般能够处理 103104规模的网络。

那么我们接下来要讲解的最小费用最大流也是利用EK算法来解决的,首先,我们沿着最短路进行增广,而路径长度自然就是路径上的费用,而我们建的反向边的费用是对应正向边的费用的相反数(为了保证过程可逆),而反向边的流量像往常一样依然是0。这里我们可以选择用SPFA或者是Dijkstra进行最短路,然后就是求解最短路的实际流量并修改相关数据,以便下一次在残余网络上继续进行增广。
说到这里可能会有些懵逼,不要急,我会先通过更简单易懂的语言来讲解,然后我们还会结合代码慢慢的讲。
其实我们要想:最小费用最大流比单纯的最大流多了什么?就是一个路径上的费用,那我们要解决的就是这个费用问题,那么我们要求得最小的费用要用的最好的方法是什么呢?当然就是最短路啊,我们知道EK算法有一个BFS()函数,我们也知道SPFADijkstra这种最短路求法也是BFS,那么我们就可以很愉快地将BFS函数转化为最短路的算法啦~。
下面我们结合着代码讲解一下:
首先我们来介绍一下下面要用到的变量的名称:

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int n,m,s,t; //n:点数,m:边数,s:起点,t:终点 int dist[MAXN],flow[MAXN]; //dist[i]:从s到i的最短路径长度(SPFA用) //flow:流量 bool inque[MAXN];; //inque[i]表示点i是否在队列里面。 int pre[MAXN],rest[MAXN]; //pre[i]:i的前驱节点 //rest[i]第i条边的剩余流量 int max_flow; int min_spent; //max_flow:最大流 //min_spent:最小花费 queue<int> q; //队列

加边没有什么问题。

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struct node{ int from; int to; int len; //费用 int cap; //流量 int next; }edge[MAXN]; int head[MAXN],total=-1; //要注意将这里的head[MAXN]和total都置为-1!Yeasion在这上面摔了好几次 void add(int f,int t,int l,int c){ total++; edge[total].from=f; edge[total].to=t; edge[total].len=l; edge[total].cap=c; edge[total].next=head[f]; head[f]=total; }

然后主函数颇为稀松,但是要注意建反向边的时候要将流量置为0,将费用置为原正向边的相反数(edge[i].cap=edge[i^1].cap)。

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int main(){ scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t); for(int i=1;i<=n;i++) head[i]=-1; for(int i=1;i<=m;i++){ int x; int y; int l; int c; scanf("%d%d%d%d",&x,&y,&c,&l); add(x,y,l,c); add(y,x,0,-c); //注意加反向边要注意的两点哦 } Edmonds_Karp(s,t); printf("%d %d",max_flow,min_spent); return 0; }

接下来就是EK函数了,我们在这个函数里面传入了begin和end的参数,如果大家不想传递的话是可以省略掉的

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void Edmonds_Karp(int begin,int end){ while(SPFA(begin,end)){ //寻找增广路 int now=end; max_flow+=rest[end]; //将最大流加上最小流量 min_spent+=dist[end]*rest[end]; //将最小花费加上从s开始到t的最小路径长*到t的最小流量 while(now!=begin){ edge[last[now]].cap-=rest[end]; //正向边减去最小流量 edge[last[now]^1].cap+=rest[end]; //反向边加上最小流量 now=pre[now]; //设置前趋 } } }

最后是SPFA的函数,在这里面我们主要进行的操作有三个:1.找出最短路。当然这个最短路的前提条件是每一条边都有剩余流量edge[i].cap,不然没有任何意义。2.寻找最小流量rest。3.寻找每一个点的前驱。然后返回的条件依然是看有没有找到增广路,就是看t的前驱有没有被更新如果没有,自然就是没有任何一条路能够到达t节点。

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bool SPFA(int begin,int end){ while(!q.empty()) q.pop(); memset(dist,127,sizeof(dist)); memset(inque,0,sizeof(inque)); memset(rest,127,sizeof(rest)); //每一次的SPFA不要忘了将所有的变量还原 //但千万别还原pre qwq q.push(begin); inque[begin]=1; //入队s点 ,初始化 pre[end]=-1; dist[begin]=0; //SPFA过程 while(!q.empty()){ int now=q.front();q.pop(); inque[now]=false; for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next) if(edge[i].cap>0)//这里就是网络流的部分了,首先这条边如果没有了残余流量我们肯定不跑 if(dist[edge[i].to]>dist[now]+edge[i].len){ dist[edge[i].to]=dist[now]+edge[i].len;//SPFA松弛操作 pre[edge[i].to]=now;//更新edge[i].to的前驱为now rest[edge[i].to]=min(rest[now],edge[i].cap); //寻找最小的流量 if(!inque[edge[i].to]){//入队,继续SPFA q.push(edge[i].to); inque[edge[i].to]=1; } } } if(pre[end]==-1) return 0; //如果没有找到t即:t的前驱依然是不存在的-1,则没有增广路,返回0,停止EK else return 1; //继续进行EK }

下面是EK的算法代码:

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#include<iostream> #include<cstdio> #include<queue> #include<cstring> #include<algorithm> #define MAXN 100010 #define INF 0x7fffffff #define ll long long using namespace std; int n,m,s,t; struct node{ int from; int to; int len; int cap; int next; }edge[MAXN]; int head[MAXN],total=-1; void add(int f,int t,int l,int c){ total++; edge[total].from=f; edge[total].to=t; edge[total].len=l; edge[total].cap=c; edge[total].next=head[f]; head[f]=total; } int dist[MAXN],flow[MAXN]; bool inque[MAXN]; int last[MAXN]; int pre[MAXN],rest[MAXN]; int max_flow; int min_spent; queue<int> q; bool SPFA(int begin,int end){ while(!q.empty()) q.pop(); memset(dist,127,sizeof(dist)); memset(inque,0,sizeof(inque)); memset(rest,127,sizeof(rest)); q.push(begin); inque[begin]=1; pre[end]=-1; dist[begin]=0; while(!q.empty()){ int now=q.front();q.pop(); inque[now]=false; for(int i=head[now];i!=-1;i=edge[i].next) if(edge[i].cap>0) if(dist[edge[i].to]>dist[now]+edge[i].len){ dist[edge[i].to]=dist[now]+edge[i].len; pre[edge[i].to]=now; last[edge[i].to]=i; rest[edge[i].to]=min(rest[now],edge[i].cap); if(!inque[edge[i].to]){ q.push(edge[i].to); inque[edge[i].to]=1; } } } if(pre[end]==-1) return 0; else return 1; } void Edmonds_Karp(int begin,int end){ while(SPFA(begin,end)){ int now=end; max_flow+=rest[end]; min_spent+=dist[end]*rest[end]; while(now!=begin){ edge[last[now]].cap-=rest[end]; edge[last[now]^1].cap+=rest[end]; now=pre[now]; } } } int main(){ scanf("%d%d%d%d",&n,&m,&s,&t); for(int i=1;i<=n;i++) head[i]=-1; for(int i=1;i<=m;i++){ int x; int y; int l; int c; scanf("%d%d%d%d",&x,&y,&c,&l); add(x,y,l,c); add(y,x,0,-c); } Edmonds_Karp(s,t); printf("%d %d",max_flow,min_spent); return 0; }
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