Алгоритм Эдмондса-Карпа: различия между версиями

Материал из Олимпиадное программирование в УлГТУ
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нет описания правки
 
(не показано 10 промежуточных версий этого же участника)
Строка 1: Строка 1:
#include <stdio.h>
__TOC__
#include <algorithm>
 
#include <vector>
== Код ==
#include <queue>
 
  using namespace std;
  class Graph {
 
    struct Edge {
struct Edge {
        int a, b, capacity, flow = 0;
    int a, b, cap, flow;
    Edge(int a, int b, int cap) : a(a), b(b), cap(cap), flow(0) {}
        Edge(int a, int b, int capacity) :
    int other(int v) {
            a(a), b(b), capacity(capacity) {}
        return v == a ? b : a;
        int other(int v) const {
            return v == b ? a : b;
        }
        int capacityTo(int v) const {
            return v == b ? capacity - flow : flow;
        }
        void addFlowTo(int v, int deltaFlow) {
            flow += (v == b ? deltaFlow : -deltaFlow);
        }
    };
    vector<Edge> edges;
    vector<vector<int>> graph;
    vector<int> visited, edgeTo;
    bool hasPath(int start, int finish) {
        visited.assign(graph.size(), 0);
        edgeTo.assign(graph.size(), -1);
        queue<int> q;
        visited[start] = 1;
        q.push(start);
        while (!q.empty()) {
            int v = q.front();
            q.pop();
            for (int edgeIndex : graph[v]) {
                int to = edges[edgeIndex].other(v);
                if (!visited[to] && edges[edgeIndex].capacityTo(to)) {
                    visited[to] = 1;
                    edgeTo[to] = edgeIndex;
                    q.push(to);
                }
            }
        }
        return visited[finish];
     }
     }
     int capTo(int v) {
         return v == b ? cap - flow : flow;
     int getMinCapacity(int start, int finish) {
         int minCapacity = 1e9;
        for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
            minCapacity = min(minCapacity, edges[edgeTo[v]].capacityTo(v));
        return minCapacity;
     }
     }
     void addFlowTo(int v, int f) {
         flow += (v == b ? f : -f);
     void addFlow(int start, int finish, int deltaFlow) {
         for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
            edges[edgeTo[v]].addFlowTo(v, deltaFlow);
     }
     }
  };
   
  vector<Edge> edges;
  public:
 
    Graph(int vertexCount) : graph(vertexCount) {}
int n, m, u[1010], p[1010];
   
  vector<int> g[1010];
    void addEdge(int from, int to, int capacity) {
 
        edges.push_back(Edge(from, to, capacity));
bool bfs(int v, int vTarget) {
        graph[from].push_back(edges.size() - 1);
    queue<int> q;
         graph[to].push_back(edges.size() - 1);
    u[v] = 1;
    }
    q.push(v);   
    while (!q.empty()) {
    long long maxFlow(int start, int finish) {
         v = q.front();
         long long flow = 0;
        q.pop();
         while (hasPath(start, finish)) {
         if (v == vTarget)
             int deltaFlow = getMinCapacity(start, finish);
            return 1;
             addFlow(start, finish, deltaFlow);
         for (int i = 0; i < g[v].size(); i++) {
            flow += deltaFlow;
             int e = g[v][i], to = edges[e].other(v);
             if (!u[to] && edges[e].capTo(to)) {
                p[to] = e;
                u[to] = 1;
                q.push(to);
            }
         }
         }
        return flow;
     }
     }
    return 0;
};
}
 
 
== Сложность ==
int main() {
 
    scanf("%d%d", &n, &m);
* Факт 1. Пусть в BFS мы бы считали расстояния до каждой вершины. Тогда при последовательных запусках BFS эти расстояния никогда не уменьшались бы.
    int a, b, cap;
: Пусть BFS нашёл путь start → a → b → c → d → finish. Сейчас dist[start] = 0, dist[a] = 1, dist[b] = 2, ... dist[finish] = 5.
    for (int i = 0; i < m; i++) {
: Утверждается, что и при следующих запусках BFS эти расстояния не смогут стать меньше. Когда мы добавим поток вдоль этого пути:
        scanf("%d%d%d", &a, &b, &cap);
 
        edges.push_back(Edge(a - 1, b - 1, cap));
:* По каким-то рёбрам станет невозможно ходить слева направо, это не может улучшить расстояния.
        g[a - 1].push_back(edges.size() - 1);
:* По каким-то рёбрам станет можно ходить справа налево, но это тоже не может улучшить расстояния:
        g[b - 1].push_back(edges.size() - 1);
:: Пусть стал доступен переход b ← c, следующий BFS прошёл по нему, и b — первая вершина на новом кратчайшем пути, до которой расстояние уменьшилось.
    }
:: Но oldDist[c] = oldDist[b] + 1, newDist[c] >= oldDist[c], newDist[b] = newDist[c] + 1. Тогда newDist[b] >= oldDist[b] + 2, расстояние до b не могло уменьшиться, противоречие.
 
:* Расстояние до какой-то вершины могло стать меньше, только если до этой вершины существовал более короткий путь. Тогда BFS должен был найти именно его, противоречие.
    int flow = 0;
 
    while (1) {
* Факт 2. После каждой итерации хотя бы одно ребро насыщается потоком в ту или в другую сторону, при этом его остаточная пропускная способность становится равной нулю.
        fill(u, u + n, 0);
: Прежде чем это ребро станет можно использовать снова в том же направлении, поток должен пройти по нему в обратном направлении.
        if (!bfs(0, n - 1))
: Как было показано выше, при этом расстояние до его начала увеличится как минимум на 2 (newDist[b] >= oldDist[b] + 2).
            break;
 
        int deltaFlow = 1 << 30;
* Факт 3. Расстояния, очевидно, не могут превышать (V - 1).
        for (int v = n - 1; v != 0; v = edges[p[v]].other(v))
 
            deltaFlow = min(deltaFlow, edges[p[v]].capTo(v));
Получается, что каждое ребро может быть насыщено потоком не более (V - 1) раз (по (V - 1) / 2 раз в ту и в другую сторону). Разных рёбер E штук, следовательно, суммарное количество запусков BFS не может превосходить ((V - 1) × E). Один запуск стоит O(V + E).
        flow += deltaFlow;
 
        for (int v = n - 1; v != 0; v = edges[p[v]].other(v))
Общая сложность, таким образом, составляет O(((V - 1) × E) × (V + E)) = O(V × E^2) в худшем случае.
            edges[p[v]].addFlowTo(v, deltaFlow);
    }
    printf("%d", flow);
}


== Ссылки ==
== Ссылки ==
* [http://algs4.cs.princeton.edu/lectures/64MaxFlow.pdf algs4.cs.princeton.edu/lectures &mdash; 6.4 Maximum Flow]
Теория:
* [http://e-maxx.ru/algo/edmonds_karp e-maxx.ru &mdash; Алгоритм Эдмондса-Карпа нахождения максимального потока за O (NM^2)]
* [https://algs4.cs.princeton.edu/lectures/keynote/64MaxFlow.pdf algs4.cs.princeton.edu — 6.4 Maximum Flow]
* [http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%90%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC_%D0%AD%D0%B4%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D1%81%D0%B0-%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%BF%D0%B0 neerc.ifmo.ru/wiki &mdash; Алгоритм Эдмондса-Карпа]
* [http://e-maxx.ru/algo/edmonds_karp e-maxx.ru — Алгоритм Эдмондса-Карпа нахождения максимального потока за O (NM^2)]
* [http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%90%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC_%D0%AD%D0%B4%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D1%81%D0%B0-%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%BF%D0%B0 neerc.ifmo.ru/wiki — Алгоритм Эдмондса-Карпа]
* [http://brilliant.org/wiki/edmonds-karp-algorithm Brilliant.org — Edmonds-Karp Algorithm]
* [https://codeforces.com/blog/entry/145343 codeforces.com — Worst-Case Graphs for Maximum Flow Algorithms]
Демонстрация:
* [https://visualgo.net/en/maxflow VisuAlgo — Network Flow]
Код:
* [https://github.com/indy256/codelibrary/blob/master/java/graphs/flows/MaxFlowEdmondsKarp.java CodeLibrary &mdash; Maximum flow. Edmonds-Karp algorithm in O(min(E^2 * V, E * FLOW))]
* algs4.cs.princeton.edu/code &mdash; [http://algs4.cs.princeton.edu/code/edu/princeton/cs/algs4/FlowEdge.java.html capacitated edge with flow], [http://algs4.cs.princeton.edu/code/edu/princeton/cs/algs4/FlowNetwork.java.html capacitated network], [http://algs4.cs.princeton.edu/code/edu/princeton/cs/algs4/FordFulkerson.java.html maxflow–mincut] (несмотря на название, используется алгоритм Эдмондса-Карпа)
Задачи:
* [http://informatics.mccme.ru/course/view.php?id=6 informatics.mccme.ru &mdash; Курс &laquo;Алгоритмы на графах&raquo; &mdash; часть 9]
* [http://informatics.mccme.ru/course/view.php?id=6 informatics.mccme.ru &mdash; Курс &laquo;Алгоритмы на графах&raquo; &mdash; часть 9]
* [http://github.com/indy256/codelibrary/blob/master/java/src/MaxFlowEdmondsKarp.java CodeLibrary &mdash; Maximum flow. Edmonds-Karp algorithm in O(min(E^2 * V, E * FLOW))]
* [[:Категория:Задачи: Максимальный поток|Задачи: Максимальный поток]]
* [http://visualgo.net/maxflow.html VisuAlgo &mdash; Network Flow]


[[Category: Максимальный поток]]
[[Category: Максимальный поток]]

Текущая версия от 17:45, 19 октября 2026

Код

class Graph {
    struct Edge {
        int a, b, capacity, flow = 0;

        Edge(int a, int b, int capacity) :
            a(a), b(b), capacity(capacity) {}

        int other(int v) const {
            return v == b ? a : b;
        }

        int capacityTo(int v) const {
            return v == b ? capacity - flow : flow;
        }

        void addFlowTo(int v, int deltaFlow) {
            flow += (v == b ? deltaFlow : -deltaFlow);
        }
    };

    vector<Edge> edges;
    vector<vector<int>> graph;
    vector<int> visited, edgeTo;

    bool hasPath(int start, int finish) {
        visited.assign(graph.size(), 0);
        edgeTo.assign(graph.size(), -1);
        queue<int> q;

        visited[start] = 1;
        q.push(start);

        while (!q.empty()) {
            int v = q.front();
            q.pop();

            for (int edgeIndex : graph[v]) {
                int to = edges[edgeIndex].other(v);
                if (!visited[to] && edges[edgeIndex].capacityTo(to)) {
                    visited[to] = 1;
                    edgeTo[to] = edgeIndex;
                    q.push(to);
                }
            }
        }

        return visited[finish];
    }

    int getMinCapacity(int start, int finish) {
        int minCapacity = 1e9;
        for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
            minCapacity = min(minCapacity, edges[edgeTo[v]].capacityTo(v));
        return minCapacity;
    }

    void addFlow(int start, int finish, int deltaFlow) {
        for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
            edges[edgeTo[v]].addFlowTo(v, deltaFlow);
    }

public:
    Graph(int vertexCount) : graph(vertexCount) {}

    void addEdge(int from, int to, int capacity) {
        edges.push_back(Edge(from, to, capacity));
        graph[from].push_back(edges.size() - 1);
        graph[to].push_back(edges.size() - 1);
    }

    long long maxFlow(int start, int finish) {
        long long flow = 0;
        while (hasPath(start, finish)) {
            int deltaFlow = getMinCapacity(start, finish);
            addFlow(start, finish, deltaFlow);
            flow += deltaFlow;
        }
        return flow;
    }
};

Сложность

  • Факт 1. Пусть в BFS мы бы считали расстояния до каждой вершины. Тогда при последовательных запусках BFS эти расстояния никогда не уменьшались бы.
Пусть BFS нашёл путь start → a → b → c → d → finish. Сейчас dist[start] = 0, dist[a] = 1, dist[b] = 2, ... dist[finish] = 5.
Утверждается, что и при следующих запусках BFS эти расстояния не смогут стать меньше. Когда мы добавим поток вдоль этого пути:
  • По каким-то рёбрам станет невозможно ходить слева направо, это не может улучшить расстояния.
  • По каким-то рёбрам станет можно ходить справа налево, но это тоже не может улучшить расстояния:
Пусть стал доступен переход b ← c, следующий BFS прошёл по нему, и b — первая вершина на новом кратчайшем пути, до которой расстояние уменьшилось.
Но oldDist[c] = oldDist[b] + 1, newDist[c] >= oldDist[c], newDist[b] = newDist[c] + 1. Тогда newDist[b] >= oldDist[b] + 2, расстояние до b не могло уменьшиться, противоречие.
  • Расстояние до какой-то вершины могло стать меньше, только если до этой вершины существовал более короткий путь. Тогда BFS должен был найти именно его, противоречие.
  • Факт 2. После каждой итерации хотя бы одно ребро насыщается потоком в ту или в другую сторону, при этом его остаточная пропускная способность становится равной нулю.
Прежде чем это ребро станет можно использовать снова в том же направлении, поток должен пройти по нему в обратном направлении.
Как было показано выше, при этом расстояние до его начала увеличится как минимум на 2 (newDist[b] >= oldDist[b] + 2).
  • Факт 3. Расстояния, очевидно, не могут превышать (V - 1).

Получается, что каждое ребро может быть насыщено потоком не более (V - 1) раз (по (V - 1) / 2 раз в ту и в другую сторону). Разных рёбер E штук, следовательно, суммарное количество запусков BFS не может превосходить ((V - 1) × E). Один запуск стоит O(V + E).

Общая сложность, таким образом, составляет O(((V - 1) × E) × (V + E)) = O(V × E^2) в худшем случае.

Ссылки

Теория:

Демонстрация:

Код:

Задачи: