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  • 指派问题与匈牙利解法

    指派问题概述:

    实际中,会遇到这样的问题,有n项不同的任务,需要n个人分别完成其中的1项,每个人完成任务的时间不一样。于是就有一个问题,如何分配任务使得花费时间最少。

    通俗来讲,就是n*n矩阵中,选取n个元素,每行每列各有1个元素,使得和最小。

    如下图:

     

    指派问题性质:

    指派问题的最优解有这样一个性质,若从矩阵的一行()各元素中分别减去该行()的最小元素,得到归约矩阵,其最优解和原矩阵的最优解相同.

    匈牙利法:

     

     

    12

    7

    9

    7

    9

    8

    9

    6

    6

    6

    7

    17

    12

    14

    9

    15

    14

    6

    6

    10

    4

    10

    7

    10

    9

     

    1.行归约:

    每行元素减去该行的最小元素

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

    2.列归约:

    每列元素减去该列的最小元素

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

    3.试指派:

    (1)找到未被画线的含0元素最少的行列,即,遍历所有未被画线的0元素,看下该0元素所在的行列一共有多少个0,最终选取最少个数的那个0元素。

    (2)找到该行列中未被画线的0元素,这就是一个独立0元素。对该0元素所在行和列画线。

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

     

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

     

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

     

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

    (3)暂时不看被线覆盖的元素,重复(1)(2)直到没有线可以画。

     

    (4)根据(2)找到的0元素个数判断,找到n个独立0元素则Success,小于n个则Fail.(本例子中,n=5,可以看到,第一次试指派之后,独立0元素有4个,不符合)

    4.画盖0线:

    目标:做最少的直线数覆盖所有0元素,直线数就是独立0元素的个数。

    注意:这跟3的线不同;不能用贪心法去画线,比如

    1 0 0

    1 1 0

    1 0 1

    若先画横的,则得画3条线,实际只需2条;若先画竖的,将矩阵转置后同理。

     

    步骤3得出的独立0元素的位置

    5

    0

    2

    0

    2

    2

    3

    0

    0

    0

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

    0

    6

    3

    6

    5

     

    (1)对没有独立0元素的行打勾、

    (2)对打勾的行所含0元素的列打勾

    (3)对所有打勾的列中所含独立0元素的行打勾

    (4)重复(2)(3)直到没有不能再打勾

    (5)对打勾的列和没有打勾的行画画线,这就是最小盖0线。

    5

    0

    2

    0

    2

     

    2

    3

    0

    0

    0

     

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

     

    0

    6

    3

    6

    5

             

     

    5

    0

    2

    0

    2

     

    2

    3

    0

    0

    0

     

    0

    10

    5

    7

    2

    9

    8

    0

    0

    4

     

    0

    6

    3

    6

    5

             

     

    5.更新矩阵:

    (1)对没有被线划到的数中,找到最小的数。

    (2)对没有被线划到的数中,减去最小的数。

    (3)对被2条线划到的数中,加上最小的数。

     

    7

    0

    2

    0

    2

    4

    3

    0

    0

    0

    0

    8

    3

    5

    0

    11

    8

    0

    0

    4

    0

    4

    1

    4

    3

     

    6.重复3-5直到成功。

    0

    1

    0

    0

    0

    0

    0

    1

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    1

    0

    0

    0

    1

    0

    1

    0

    0

    0

    0

     

    sum = 7+6+9+6+4 = 32

     

    练习:http://soj.me/show_problem.php?pid=1002&cid=1085

     

    注意题目是求最大值,所以需要对矩阵做一点处理。

    代码:

    #include <iostream>
    #include <algorithm>
    #include <cstring>
    #include <climits>
    using namespace std;
    
    #define Max 17
    int n;                    //维数 
    int s[Max][Max];        //原始矩阵 
    int p[Max][Max];        //归约矩阵 
    int q[Max][Max];        //0:未被画线 1:画了1次 2: 画了2次(交点) 
    int row[Max], col[Max];    //行列0元素个数 
    int r[Max][Max];        //0:非0元素 1:非独立0元素 2:独立0元素 
    int x[Max],y[Max];        //画线时是否被打勾,1是0不是 
    
    //数每行每列的0元素个数 
    void countZero()
    {
        memset(row, 0, sizeof(row));
        
        memset(col, 0, sizeof(col));
        
        memset(r, 0, sizeof(r));
        
        for (int i = 0; i < n; ++i)
        {
            for (int j = 0; j < n; ++j)
            {
                if (p[i][j] == 0)
                    row[i]++, col[j]++;
            }
        }
    }
    
    //画最少的线覆盖所有0元素 
    int drawLine()
    {    
        memset(q, 0, sizeof(q));
        
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            x[i] = 1, y[i] = 0;
        
        //row 对所有不含独立0元素的行打勾! 
        for (int i = 0; i < n; ++i)
        {
            for (int j = 0; j < n; ++j)
            {
                if (r[i][j] == 2)
                {
                    x[i] = 0;
                    
                    break;
                }
            }
        }
        
        bool is = 1;
        while (is)    //循环直到没有勾可以打 
        {
            is = 0;
            //col 对打勾的行中含0元素的未打勾的列打勾 
            for (int i = 0; i < n; ++i)
            {
                if (x[i] == 1)
                {
                    for (int j = 0; j < n; ++j)
                    {
                        if (p[i][j] == 0 && y[j] == 0)
                        {
                            y[j] = 1;
                            
                            is = 1;
                        }
                    }
                }
            }
            
            //row 对打勾的列中含独立0元素的未打勾的行打勾 
            for (int j = 0; j < n; ++j)
            {
                if (y[j] == 1)
                {
                    for (int i = 0; i < n; ++i)
                    {
                        if (p[i][j] == 0 && x[i] == 0 && r[i][j] == 2)
                        {
                            x[i] = 1;
                            
                            is = 1;
                        }
                    }
                }
            }
        }
        
        //没有打勾的行和有打勾的列画线,这就是覆盖所有0元素的最少直线数 
        int line = 0;
        for (int i = 0; i < n; ++i)
        {
            if (x[i] == 0)
            {
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    q[i][j]++;
                    
                line++;
            }
            
            if (y[i] == 1)
            {
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    q[j][i]++;
                    
                line++;
            }
        }
        
        return line;
    }
    
    //找独立0元素个数 
    /*1.找含0最少的那一行/列    2.划掉,更新该行/列0元素所在位置的row[],col[]
      3.直到所有0被划线,这里定义为row[]col[]全为INT_MAX,表示该行/列无0元素*/ 
    int find()
    {
        countZero();
        
        int zero = 0;     //独立0元素的个数 
        
        while (1)
        {
            //row[i] = INT_MAX表示该行无0元素,防止与*min_element()冲突 
            for (int i = 0; i < n; ++i)
            {
                if (row[i] == 0)
                    row[i] = INT_MAX;
                if (col[i] == 0)
                    col[i] = INT_MAX;
            }
            
            bool stop = 1;
            
            if (*min_element(row, row+n) <= *min_element(col, col+n))    //行最少0元素 
            {
                //找含0最少的那一行 
                int tmp = INT_MAX, index = -1;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                {
                    if (tmp > row[i])
                        tmp = row[i], index = i;
                }
                
                /*找该行任意一个没被划掉的0元素(独立0元素),找到一个就行*/ 
                int index2 = -1;            //该行独立0元素的列值
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[index][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)
                    {
                        index2 = i;
                        stop = 0;            //找到独立0元素则继续循环 
                        zero++;                //独立0元素的个数 
                        break;
                    }
                
                //找不到独立0元素了 
                if (stop)    
                    break;
                    
                //标记 
                row[index] = col[index2] = INT_MAX;    
                r[index][index2] = 1;                //独立0元素,等等会++. 
                
                //更新其所在行列的col,row
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[index][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)    //若该行还有0且没被划掉才更新 
                        col[i]--;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[i][index2] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                        row[i]--;
            }
            else                                                        //列最少0元素 
            {
                int tmp = INT_MAX, index = -1;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                {
                    if (tmp > col[i])
                        tmp = col[i], index = i;
                }
            
                int index2 = -1;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[i][index] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                    {    
                        index2 = i;
                        stop = 0;
                        zero++;
                        break;
                    }
                    
                if (stop)
                    break;
                    
                row[index2] = col[index] = INT_MAX;
                r[index2][index] = 1;
                
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[index2][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)
                        col[i]--;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    if (p[i][index] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                        row[i]--;
            }
        }
        //r[i][j] 0:非0元素 1:非独立0元素 2:独立0元素 
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                if (p[i][j] == 0)
                    r[i][j]++;
                    
        return zero;
    }
    
    int main()
    {
        int m;
        
        cin >> m;
        
        while (m--)
        {    
            cin >> n;
            
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    cin >> s[i][j];
            
            //行归约 
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    p[i][j] = *max_element(s[i], s[i]+n)-s[i][j];    //求和最大 
                    //p[i][j] = s[i][j]-*min_element(s[i],s[i]+j);     //求和最小 
            
            //列归约 
            for (int j = 0; j < n; ++j)
            {
                int tmp = INT_MAX;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                {
                    if (tmp > p[i][j])
                        tmp = p[i][j];
                }
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    p[i][j] -= tmp;
            }
            
            while (find() < n)
            {
                drawLine();
                
                //最小的未被划线的数
                int min = INT_MAX;
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    for (int j = 0; j < n; ++j)    
                        if (q[i][j] == 0 && min > p[i][j])
                            min = p[i][j];
                
                //更新未被划到的和交点 
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                    for (int j = 0; j < n; ++j)
                        if (q[i][j] == 0)
                            p[i][j] -= min;
                        else if (q[i][j] == 2)
                            p[i][j] += min;        
            }
    
            //求和 
            int ans = 0;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    if (r[i][j] == 2)
                        ans += s[i][j];
                        
            cout << ans << endl;
        }
    }
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