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  • 二分图匹配详解

    转自网上大牛博客。

    二分图:二分图是这样一个图,它的顶点可以分类两个集合X和Y,所有的边关联的两个顶点恰好一个属于集合X,另一个属于集合Y。

    二分图匹配:给定一个二分图G,在G的一个子图M中,M的边集中的任意两条边都不依附于同一个顶点,则称M是一个匹配。
    最大匹配:图中包含边数最多的匹配称为图的最大匹配。
    完美匹配:如果所有点都在匹配边上,则称这个最大匹配是完美匹配。

    二分图匹配基本概念:

    未盖点
    设VI是G的一个顶点,如果VI不与任意一条属于匹配M的边相关联,就称VI是一个未盖点。
    交错轨
       设P是图G的一条轨,如果P的任意两条相邻的边一定是一条属于M而另一条不属于M,就称P是交错轨。
    可增广轨(增广路)
        两个端点都是未盖点的交错轨称为可增广轨。

    可增广轨的性质:

    1:P的路径长度必定为奇数,第一条边和最后一条边都不属于M。
    2:P经过取反操作可以得到一个更大的匹配M’。
    3:M为G的最大匹配当且仅当不存在相对于M的增广路径。

    二分图最大匹配匈牙利算法:

    算法的思路是不停的找增广轨,并增加匹配的个数,增广轨顾名思义是指一条可以使匹配数变多的路径,在匹配问题中,增广轨的表现形式是一条"交错 轨",也就是说这条由图的边组成的路径,它的第一条边是目前还没有参与匹配的,第二条边参与了匹配,第三条边没有..最后一条边没有参与匹配,并且始点和 终点还没有被选择过.这样交错进行,显然他有奇数条边.那么对于这样一条路径,我们可以将第一条边改为已匹配,第二条边改为未匹配...以此类推.也就是 将所有的边进行"取反",容易发现这样修改以后,匹配仍然是合法的,但是匹配数增加了一对.另外,单独的一条连接两个未匹配点的边显然也是交错轨.可以证 明,当不能再找到增广轨时,就得到了一个最大匹配.这也就是匈牙利算法的思路。

    代码:

     1 //匈牙利算法复杂度o(nm)
     2 #include <iostream>
     3 using namespace std;
     4 const int MAXN = 1001 ,MAXM = 1001 ;
     5 int n1,n2,m,ans; //n1,n2分别为二分图两边节点的个数,两边的节点分别用1..n1,1..n2编号,m为边数
     6 bool g[MAXN][MAXM]; //图G邻接矩阵g[x][y]
     7 bool y[MAXM]; //Y集合中点i访问标记
     8 int link[MAXM]; //link[y]表示当前与y节点相邻的x节点
     9 
    10 void init()
    11 {
    12     int x,y;
    13     memset(g,0 ,sizeof (g));
    14     memset(link,-1 ,sizeof (link));
    15     ans = 0 ;
    16     scanf("%d%d%d" ,&n1,&n2,&m);
    17     for (int i = 1 ;i <= m;i++)
    18     {
    19         scanf("%d%d" ,&x,&y);
    20         g[x][y] = true ;
    21     }
    22 }
    23 
    24 bool find(int x) //是否存在X集合中节点x开始的增广路
    25 {
    26     for (int i = 1 ;i <= n2;i++)
    27         if (g[x][i] && !y[i]) //如果节点i与x相邻并且未访问过
    28         {
    29             y[i] = true ;
    30             if (link[i] == -1 || find(link[i])) //如果找到一个未盖点i中或从与i相邻的节点出发有增广路
    31             {
    32                 link[i] = x;
    33                 return true ;
    34             }
    35         }
    36     return false ;
    37 }
    38 
    39 int main()
    40 {
    41     init();
    42     /*for (int j = 1;j <= n2;j++)
    43         for (int i = 1;i <= n1;i++)
    44             if (g[i][j] && !link[j])
    45                 link[j] = i;//贪心初始解优化*/ 
    46     for (int i = 1 ;i <= n1;i++)
    47     {
    48         memset(y,0 ,sizeof (y));
    49         if (find(i))
    50             ans++;
    51     }
    52     printf("%d/n" ,ans);
    53     return 0 ;
    54 }

    真正求二分图的最大匹配的题目很少,往往做一些简单的变化:

    变种1:二分图的最小顶点覆盖

    最小顶点覆盖要求用最少的点(X或Y中都行),让每条边都至少和其中一个点关联。

    knoig定理:二分图的最小顶点覆盖数 = 二分图的最大匹配数(m)。

    变种2:DAG图的最小路径覆盖

    用尽量少的不相交简单路径覆盖有向无环图(DAG)G的所有顶点,这就是DAG图的最小路径覆盖问题。

    结论:DAG图的最小路径覆盖数 = 节点数(n)- 最大匹配数(m)

    变种3:二分图的最大独立集

    结论:二分图的最大独立集数 = 节点数(n)— 最大匹配数(m)

    附上一些题目
    1:pku 1466 Girls and Boys http://poj.org/problem?id=1466 
    这是一道典型的二分匹配的题目,并且非常简单,使用模板即可AC。


    题目大意:在N个点的图G中选出m个点,使这m个点两两之间没有边.求m最大值. 
    如果图G满足二分图条件,则可以用二分图匹配来做.最大独立集点数 = N - 最大匹配数。


    最大独立数=未匹配的节点+匹配数/2   (1)(设n=匹配数/2,可以理解为去掉二分图某侧匹配好的n个节点,在另一侧对应的n个节点就没有相匹配的了)


    未匹配的节点=顶点数-匹配数      (2)


    由(1)(2)得: 最大独立数=顶点数-匹配数的一半


    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010920914230/ 


    2:pku 1719 Shooting Contest 二分图匹配
    http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/169570029201010199320592/ 
    建图,输出匹配就行了
    //题目分析:题目其实要求你以x,y坐标作为二分图的两个节点部分,然后让你找到一个匹配,然后根据一个部分的节点顺序把对应的另一个节点输出
    //思路分析:直接用dfs实现的匈牙利算法来解决二分图
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/169570029201010199320592/ 


    3:pku 1422 二分图,最小路径覆盖 
    http://poj.org/problem?id=1422 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/16957002920101025922340/ 


    4:pku 2594 Treasure Exploration floyd 重新建图+最小路径覆盖+二分图
    http://poj.org/problem?id=2594 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010102583552414/ 


    5:pku 3216 Repairing Company floyd 最短路+二分图最大匹配
    http://poj.org/problem?id=3216 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/169570029201010257563738/ 


    6:pku 1904 King's Quest 强连通分支,二分图
    http://poj.org/problem?id=1904 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010102572022595/ 


    7:pku 3041 二分图 最小点覆盖数=最大匹配数
    http://poj.org/problem?id=3041 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010102462244415/ 


    8:zjut 1321 Dividing 二分图匹配
    http://acm.zjut.edu.cn/ShowProblem.aspx?ShowID=1321 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010102454153206/ 


    9:pku 2771 Guardian of Decency  二分图,最大独立集 
    http://poj.org/problem?id=2771 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111065019932/ 


    10:pku 1325 Machine Schedule 二分图最小点覆盖
    http://poj.org/problem?id=1325 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111035942586/ 


    11:pku 1486 Sorting Slides 二分图必须边
    http://poj.org/problem?id=1486 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111032443864/ 


    12:pku 2536 Gopher II 二分图匹配
    http://poj.org/problem?id=2536 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010117113611862/ 


    13:pku 2239 Selecting Courses 二分图匹配
    http://poj.org/problem?id=2239 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/16957002920101171151319/ 


    14:pku 1274 The Perfect Stall 二分图匹配 
    http://poj.org/problem?id=1274 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010117102245344/ 


    15:pku 2724 Purifying Machine 二分图最小路径覆盖 
    http://poj.org/problem?id=2724 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111495830231/ 


    16:pku 3020 Antenna Placement 二分图最小路径覆盖 
    http://poj.org/problem?id=3020 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111485846859/ 


    17:pku 2446 二分图最大匹配的应用 
    http://poj.org/problem?id=2446 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/169570029201011148555347/ 


    18:pku 2226 Muddy Fields 二分图 最小点覆盖 
    http://poj.org/problem?id=2226 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111365944100/ 


    19:zjut 1478 挽救损失  二分图 最小点覆盖 
    http://acm.zjut.edu.cn/ShowProblem.aspx?ShowID=1478 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111365248521/ 


    20:pku 2060 Taxi Cab Scheme 二分图最小路径覆盖
    http://poj.org/problem?id=2060 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/16957002920101111433360/ 


    21:pku 1548 Robots 二分图最小路径覆盖 
    http://poj.org/problem?id=1548 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/169570029201011113748927/ 


    22:pku 3692 Kindergarten  二分图最大独立集,求补图的最大独立集 
    http://poj.org/problem?id=3692 
    参考:http://blog.163.com/zjut_nizhenyang/blog/static/1695700292010111075931537/ 

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