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  • 网络流—最大流(Edmond-Karp算法)

    一、含义

      从源点到经过的所有路径的最终到达汇点的所有流量和

      例如:

      在这个图中求源点1,到汇点4的最大流。答案为50,其中1->2->4为20 ;1->4为20 ;1->2->3->4为10;总和为20+20+10=50。


    二、EK算法的核心


      反复寻找源点s到汇点t之间的增广路径,若有,找出增广路径上每一段[容量-流量]的最小值delta,若无,则结束。
      在寻找增广路径时,可以用BFS来找,并且更新残留网络的值(涉及到反向边)。
      而找到delta后,则使最大流值加上delta,更新为当前的最大流值。

    对于BFS找增广路:

    1.     flow[1]=INF,pre[1]=0;

            源点1进队列,开始找增广路,

      capacity[1][2]=40>0,则flow[2]=min(flow[1],40)=40;

            capacity[1][4]=20>0,则flow[4]=min(flow[1],20)=20;

            capacity[2][3]=30>0,则flow[3]=min(folw[2]=40,30)=30;

            capacity[2][4]=30,但是pre[4]=1(已经在capacity[1][4]这遍历过4号点了)

            capacity[3][4].....

            当index=4(汇点),结束增广路的寻找

            传递回increasement(该路径的流),利用前驱pre寻找路径

       路径也自然变成了这样:

    2.flow[1]=INF,pre[1]=0;

     源点1进队列,开始找增广路,

      capacity[1][2]=40>0,则flow[2]=min(flow[1],40)=40;

            capacity[1][4]=0!>0,跳过

            capacity[2][3]=30>0,则flow[3]=min(folw[2]=40,30)=30;

            capacity[2][4]=30,pre[4]=2,则flow[2][4]=min(flow[2]=40,20)=20;

            capacity[3][4].....

            当index=4(汇点),结束增广路的寻找

            传递回increasement(该路径的流),利用前驱pre寻找路径

     图也被改成

      

    接下来同理

    这就是最终完成的图,最终sumflow=20+20+10=50(这个就是最大流的值)

     

     

    PS,为什么要有反向边呢?

     

    我们第一次找到了1-2-3-4这条增广路,这条路上的delta值显然是1。于是我们修改后得到了下面这个流。(图中的数字是容量)

     

    这时候(1,2)和(3,4)边上的流量都等于容量了,我们再也找不到其他的增广路了,当前的流量是1。

    但这个答案明显不是最大流,因为我们可以同时走1-2-4和1-3-4,这样可以得到流量为2的流。

     

    那么我们刚刚的算法问题在哪里呢?问题就在于我们没有给程序一个”后悔”的机会,应该有一个不走(2-3-4)而改走(2-4)的机制。那么如何解决这个问题呢?回溯搜索吗?那么我们的效率就上升到指数级了。

    而这个算法神奇的利用了一个叫做反向边的概念来解决这个问题。即每条边(I,j)都有一条反向边(j,i),反向边也同样有它的容量。

     

    我们直接来看它是如何解决的:

    在第一次找到增广路之后,在把路上每一段的容量减少delta的同时,也把每一段上的反方向的容量增加delta。即在Dec(c[x,y],delta)的同时,inc(c[y,x],delta)

    我们来看刚才的例子,在找到1-2-3-4这条增广路之后,把容量修改成如下

    这时再找增广路的时候,就会找到1-3-2-4这条可增广量,即delta值为1的可增广路。将这条路增广之后,得到了最大流2。

     

    那么,这么做为什么会是对的呢?我来通俗的解释一下吧。

    事实上,当我们第二次的增广路走3-2这条反向边的时候,就相当于把2-3这条正向边已经是用了的流量给”退”了回去,不走2-3这条路,而改走从2点出发的其他的路也就是2-4。(有人问如果这里没有2-4怎么办,这时假如没有2-4这条路的话,最终这条增广路也不会存在,因为他根本不能走到汇点)同时本来在3-4上的流量由1-3-4这条路来”接管”。而最终2-3这条路正向流量1,反向流量1,等于没有流量。

    这就是这个算法的精华部分,利用反向边,使程序有了一个后悔和改正的机会。而这个算法和我刚才给出的代码相比只多了一句话而已。

    至此,最大流Edmond-Karp算法介绍完毕。

     

    三、代码:

    /*poj1273*/
    #include <iostream>
    #include <cstdlib>
    #include <algorithm>
    #include <string>
    #include <cstring>
    #include <stdio.h>
    #include <queue>
    #define IO ios::sync_with_stdio(false);
        cin.tie(0);
        cout.tie(0);
    using namespace std;
    const int MAX=1000000;
    int map[205][205],flow[205],pre[205],n,m;
    bool vis[205];
    int BFS()
    {
        int up;
        queue<int> q;
        vis[1]=1;
        memset(pre,-1,sizeof(pre));
        memset(vis,0,sizeof(vis));
        for(int i=1; i<=n; i++)
            flow[i]=MAX;
        q.push(1);
        while(!q.empty())
        {
            up=q.front();
            q.pop();
            if(up==n)
                break;
            for(int i=1; i<=n; i++)
            {
                if(!vis[i]&&map[up][i]>0)
                {
                    vis[i]=1;
                    flow[i]=min(flow[up],map[up][i]);
                    pre[i]=up;
                    q.push(i);
                }
            }
        }
        if(!vis[n]||n==1)
            return -1;
        return flow[n];
    }
    int EK()
    {
        int d,maxflow=0,up,down;
        maxflow=0;
        while((d=BFS())!=-1)
        {
            maxflow+=d;
            down=n;
            while(down!=1)
            {
                up=pre[down];
                map[up][down]-=d;
                map[down][up]+=d;
                down=up;
            }
        }
        return maxflow;
    }
    int main()
    {
        while(~scanf("%d%d",&m,&n))
        {
            memset(map,0,sizeof(map));
            int a,b,c;
            for(int i=1; i<=m; i++)
            {
                scanf("%d%d%d",&a,&b,&c);
                map[a][b]+=c;
            }
            printf("%d
    ",EK());//输出从1到n号点的最大流
        }
        return 0;
    }
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