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9.王欣上《浅谈基于分层思想的网络流算法》1
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[摘要]本文详细地介绍了基于层次图概念的三种算法,并通过例题来说明 Dinic 算法在信息学竞赛中的优越性。第 1 页 共 26 页2007 年全国信息学冬令营
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2007 年全国信息学冬令营讲座
浅谈基于分层思想的网络流算法
上海市延安中学 王欣上
[关键字]
层次图 网络流 基本算法 应用
MPLA Dinic MPM
[摘要]
本文详细地介绍了基于层次图概念的三种算法,并通过
例题来说明 Dinic 算法在信息学竞赛中的优越性。
第 1 页 共 26 页
2007 年全国信息学冬令营讲座
[目录]
一、引言......................................................................................................3
二、预备概念............................................................................................3
2.1 剩余图的概念................................................................................3
2.2 顶点的层次....................................................................................4
2.3 层次图的概念................................................................................4
2.4 阻塞流的概念................................................................................5
三、最短路径增值算法(MPLA)的步骤及复杂度分析..........................5
3.1 算法步骤........................................................................................5
3.2 定理的证明....................................................................................6
3.3 复杂度分析....................................................................................8
四、Dinic 算法的步 以及复 度分析骤 杂 ....................................................9
4.1 算法步骤........................................................................................9
4.2 复杂度分析..................................................................................13
五、Dinic 算法在信息学 中的 用竞赛 应 ..................................................15
第 2 页 共 26 页
2007 年全国信息学冬令营讲座
例题 1 最大 利获 (profit).....................................................................15
例题 2 矩阵游戏................................................................................18
六、MPM 的算法步骤以及复杂度分析..................................................19
6.1 算法步骤......................................................................................19
6.2 复杂度分析..................................................................................20
七、总结..................................................................................................21
[正文]
一、引言
图论这门古老而又年轻的学科
1
在信息学竞赛中占据了相当大的比重。其中,
网络流算法经常在题目中出现。网络流涵盖的知识非常丰富,从基本的最小割最
大流定理到网络的许多变形再到最高标号预流推进的六个优化等等,同学们在
平时需要多多涉猎这方面的知识,不断积累,才能应对题目的各种变化。
随着信息学竞赛的不断发展,其题目的难度以及考察范围都不断增大。现在
对于一些新出现的题目,仅仅掌握最朴素的网络流算法并不足以解决问题。本文
针对一些数据规模比较大的网络流题目详细介绍了基于分层思想的 3 个网络流
算法,并通过列举和比较说明了其在解题中的应用,而对一些基础的知识,如
最小割最大流定理等,没有作具体阐释,大家可以在许多其他网络流资料中找
到。
1
图论这门学科的诞生始于 18 世纪欧拉证明了七桥问题,发表《依据几何位置的解题方法》一文。但图论的
真正发展是从 20 世纪五六十年代开始的。所以说,图论是一门既古老又年轻的学科。
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2007 年全国信息学冬令营讲座
二、预备概念
1
2.1 剩余图的概念
给定一个流量网络
),(
111
VEG
、源点
s
、汇点
t
、容量函数
c
,以及其上
的流量函数
f
。我们这样定义对应的剩余图
),(
222
VEG
:剩余图中的点集与流
量网络中的点集相同,即
12
VV
。对于流量网络中的任一条边
2
1
),( Evu
,若
),(),( vucvuf
, 那 么 边
2
),( Evu
, 这 条 边 在 剩 余 图 中 的 权 值 为
),(),(),( vufvucvug
;同时,若
0),( vuf
那么边
2
),( Euv
,这条边在剩
余图中的权值为
),(),( vufuvg
。
我们可以发现,流量网络中的每条边在剩余图中都化作一条或二条边。剩余
图中的每条边都表示在原流量网络中能沿其方向增广。剩余图的权值函数
),( bag
表示在流量网络中能够沿着
ba到
的方向增广大小为
),( bag
的流量。所
以在剩余图中,从源点到汇点的任意一条简单路径
3
都对应着一条增广路,路径
上每条边的权值的最小值即为能够一次增广的最大流量。
2.2 顶点的层次
在剩余图中,我们把从源点到点
u
的最短路径长度称作点
u
的层次,记为
)(ulevel
。源点的层次为 0。在下面这张剩余图中:
1
本文对一些基本的理论,如最大流最小割定理等,不做阐述,读者可以参阅相关网络流资料。
2
本文中所有涉及到的边若无指明均为有向边。
3
简单路径:路径中不存在重复的顶点或边
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汇点
2007 年全国信息学冬令营讲座
每个点旁边的数字即表示该点在图中的层次。
2.3 层次图的概念
我们这样定义层次图
),(
333
EVG
:对于剩余图
),(
222
EVG
中的一条边
),( vu
, 当 且 仅 当
)(1)( vlevelulevel
时 , 边
3
),( Evu
;
}|{
33
相连中有边与uEuV
直观地讲,层次图是建立在剩余图基础之上的一张“最短路图”。从源点开始
在层次图中沿着边不管怎么走,经过的路径一定是终点在剩余图中的最短路。
2.4 阻塞流的概念
在流量网络中存在一可行流
f
,当该网络的层次图
3
G
中不存在增广路时,
我们称流函数
f
为层次图
3
G
的阻塞流。
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源点
0
2
1
3
3
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