Алгоритм Эдмондса-Карпа: различия между версиями
Перейти к навигации
Перейти к поиску
Ctrlalt (обсуждение | вклад) (→Ссылки) |
Ctrlalt (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| (не показано 5 промежуточных версий этого же участника) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
__TOC__ | |||
== 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<Edge> edges; | ||
vector<vector<int>> | vector<vector<int>> graph; | ||
vector<int> visited, edgeTo; | |||
vector<int> edgeTo; | |||
bool hasPath(int start, int finish) { | |||
visited.assign(graph.size(), 0); | |||
edgeTo.assign(graph.size(), -1); | |||
queue<int> q; | queue<int> q; | ||
q.push( | visited[start] = 1; | ||
q.push(start); | |||
while (!q.empty()) { | while (!q.empty()) { | ||
v = q.front(); | int v = q.front(); | ||
q.pop(); | q.pop(); | ||
for (int | |||
int to = edges[ | for (int edgeIndex : graph[v]) { | ||
if (! | int to = edges[edgeIndex].other(v); | ||
if (!visited[to] && edges[edgeIndex].capacityTo(to)) { | |||
visited[to] = 1; | |||
edgeTo[to] = edgeIndex; | |||
q.push(to); | q.push(to); | ||
} | } | ||
} | } | ||
} | } | ||
return visited[finish]; | |||
} | } | ||
int getMinCapacity(int start, int finish) { | |||
int minCapacity = 1e9; | |||
return | 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); | |||
void addFlow(int | |||
for (int v = | |||
edges[edgeTo[v]].addFlowTo(v, | |||
} | } | ||
public: | public: | ||
Graph(int | Graph(int vertexCount) : graph(vertexCount) {} | ||
void addEdge(int from, int to, int capacity) { | void addEdge(int from, int to, int capacity) { | ||
edges.push_back(Edge(from, to, 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 | |||
long long maxFlow(int start, int finish) { | |||
long long flow = 0; | long long flow = 0; | ||
while (hasPath( | while (hasPath(start, finish)) { | ||
int deltaFlow = | int deltaFlow = getMinCapacity(start, finish); | ||
addFlow( | addFlow(start, finish, deltaFlow); | ||
flow += deltaFlow; | flow += deltaFlow; | ||
} | } | ||
| Строка 78: | Строка 83: | ||
} | } | ||
}; | }; | ||
== 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 == | == Ссылки == | ||
| Строка 100: | Строка 112: | ||
* [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://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] | * [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: | Демонстрация: | ||
* [https://visualgo.net/en/maxflow VisuAlgo — Network Flow] | * [https://visualgo.net/en/maxflow VisuAlgo — Network Flow] | ||
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:
- algs4.cs.princeton.edu — 6.4 Maximum Flow
- e-maxx.ru — Алгоритм Эдмондса-Карпа нахождения максимального потока за O (NM^2)
- neerc.ifmo.ru/wiki — Алгоритм Эдмондса-Карпа
- Brilliant.org — Edmonds-Karp Algorithm
- codeforces.com — Worst-Case Graphs for Maximum Flow Algorithms
Демонстрация:
Код:
- CodeLibrary — Maximum flow. Edmonds-Karp algorithm in O(min(E^2 * V, E * FLOW))
- algs4.cs.princeton.edu/code — capacitated edge with flow, capacitated network, maxflow–mincut (несмотря на название, используется алгоритм Эдмондса-Карпа)
Задачи: