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  • 图的匹配问题与最大流问题(四)——计算图的边连通度和点连通度

    最近有点忙,好久没跟进了,有兴趣的朋友可以先熟悉下前三篇文章内容,(一)讲述了基础概念;(二)介绍了最大流算法的实现原理以及证明(三)用Java语言予以了实现,欢迎大家批评指正。

    回到正题,首先介绍下什么是图的边连通度和点连通度。一般来说,点连通度是指对应一个图G,对于所有点集U属于V(G),也就是V(G)的子集中,使得G-U要么是一个非连通图,要么就是一个平凡图(即仅包含一个独立点的图),其中最小的集合U的大小就是图G的点连通度,有时候也直接称为图的连通度。通俗点说,就是一个图G最少要去掉多少个点会变成非连通图或者平凡图。当然对于一个完全图来说Kn来说,它的连通度就是n-1。

    同理,边连通度就是对于一个非平凡图G,至少去掉多少条边才能使得该图变成非连通图。我们的问题就是,对于任意一个图,如何求该图的连通度以及边连通度?这跟最大流问题有什么联系?

    简单起见,我们先说如何求一个图的边连通度lamda(G)。(基于无向图考虑)

    对于图G,设u,v是图G上的两个顶点,定义r(u,v)为删除最少的边,使得u到v之间没有通路。将图G转换成一个流网络H,u为源点,v是汇点,边容量均为1,那么显然r(u,v)就是流网络的最小割,根据(二)里的介绍,其等于流网络的最大流。

    但是,目前为止我们还没解决完问题,因为显然我们要求的边连通度lamda(G)是所有的点对<u,v>对应的r(u,v)中最小的那个值。这样的话我们就必须遍历所有的点对,遍历的的复杂度为O(n*n)。这显然代价太高,而事实上,我们也不必遍历所有点对。


    如图所示,设S为图G的最小割集,那么lamda(G)=|S|。设在取任意一个点u,若u在L内,那么必然至少存在一个点v,使得r(u,v)=|S|(v是在R内时即成立)。所以,我们只需要任取一个点u,计算u和其他点的r(u,v),取最小者,必然是等于最小割集,即边连通度。

     

    public class EdgeConnectivity {
    
    	/**
    	 * @param args
    	 */
    	public static void main(String[] args) {
    		double graph[][]={{0,1,0,1,0,0},
    				  {1,0,1,0,1,0},
    				  {0,1,0,0,0,1},
    				  {1,0,0,0,1,0},
    				  {0,1,0,1,0,1},
    				  {0,0,1,0,1,0}};
    		double graph2[][]={
    				  {0,1,1,1,1,1},
    				  {1,0,1,1,1,1},
    				  {1,1,0,1,1,1},
    				  {1,1,1,0,1,1},
    				  {1,1,1,1,0,1},
    				  {1,1,1,1,1,0}};
    		System.out.println(edgeConnectivity(graph2));
    
    	}
    	
    	
    	public static int edgeConnectivity(double graph[][])
    	{
    		double min=Double.MAX_VALUE;
    		for(int i=1;i<graph.length;i++)
    		{
    			double maxflow=FordFulkerson.edmondsKarpMaxFlow(graph, 0, i);
    			if(maxflow<min)
    				min=maxflow;
    		}
    		return (int)min;
    	}
    
    }



    对于点连通度来说,可能就要复杂点了。求点连通度的方法就是转换为求边连通度,所以就需要我们巧妙的去构造一个流网络,使得其边连通度等于我们原来的图的点连通度。构造流网络N:

    若G为无向图:

    (1) 原 G 图中的每个顶点 v 变成 N 网中的两个顶点 v' 和 v" ,顶点 v' 至 v" 有一条弧(有向边)连接,弧容量为 1;
    (2) 原 G 图中的每条边 e = uv ,在 N 网中有两条弧 e’= u"v',e"=v"u' 与之对应, e' 弧容量为 ∞ , e" 弧容量为 ∞
    (3) 求该网络的边连通度

    若 G 为有向图:
    (1) 原 G 图中的每个顶点变成 N 网中的两个顶点 v’ 和 v” ,顶点 v' 至 v” 有一条弧连接,弧容量为 1
    (2) 原 G 图中的每条弧 e = uv 变成一条有向轨 u'u"v'v" ,其中轨上的弧 u"v' 的容量为 ∞;

    如下图所示,原图G:


    转换后的流网络N:



    Ok,如何在流网络N上求边连通度呢?按照我们求边连通度的做法,选定一个点u作为源点,然后遍历<u,v>点对,其中v!=u。但是在这里源点的选择必须是u‘’,也就是说必须是拆分后的后点,也就是两个撇的点。汇点的遍历只能是前点,也就是一个撇的点。为什么呢?很简单,比如若u’为源点,那么最大流只能是1,因为只有一条有向边从u‘连接到u’‘,切其容量为1。同理,若v‘’为汇点,那么最大流也只能是1,因为只有(v’,v'')的有向边指向v‘’,且容量为1。

    这样,我们也就更容易理解为什么是采用上面的策略来转换到流网络N了吧。代码就不上了,和求边连通度很类似。




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