Алгоритм Эдмондса-Карпа: различия между версиями

Материал из Олимпиадное программирование в УлГТУ
Перейти к навигации Перейти к поиску
Нет описания правки
 
(не показаны 2 промежуточные версии этого же участника)
Строка 1: Строка 1:
__TOC__
== Код ==
  class Graph {
  class Graph {
     struct Edge {
     struct Edge {
Строка 7: Строка 11:
   
   
         int other(int v) const {
         int other(int v) const {
             return v == a ? b : a;
             return v == b ? a : b;
         }
         }
   
   
Строка 21: Строка 25:
     vector<Edge> edges;
     vector<Edge> edges;
     vector<vector<int>> graph;
     vector<vector<int>> graph;
     vector<bool> visited;
     vector<int> visited, edgeTo;
    vector<int> edgeTo;
   
   
     void bfs(int start) {
     bool hasPath(int start, int finish) {
        visited.assign(graph.size(), 0);
        edgeTo.assign(graph.size(), -1);
         queue<int> q;
         queue<int> q;
         visited[start] = 1;
         visited[start] = 1;
         q.push(start);
         q.push(start);
         while (!q.empty()) {
         while (!q.empty()) {
             int v = q.front();
             int v = q.front();
             q.pop();
             q.pop();
             for (int e : graph[v]) {
                 int to = edges[e].other(v);
             for (int edgeIndex : graph[v]) {
                 if (!visited[to] && edges[e].capacityTo(to)) {
                 int to = edges[edgeIndex].other(v);
                    edgeTo[to] = e;
                 if (!visited[to] && edges[edgeIndex].capacityTo(to)) {
                     visited[to] = 1;
                     visited[to] = 1;
                    edgeTo[to] = edgeIndex;
                     q.push(to);
                     q.push(to);
                 }
                 }
             }
             }
         }
         }
    }
   
   
    bool hasPath(int start, int finish) {
        visited.assign(visited.size(), 0);
        bfs(start);
         return visited[finish];
         return visited[finish];
     }
     }
   
   
     int bottleneckCapacity(int start, int finish) {
     int getMinCapacity(int start, int finish) {
         int bCapacity = 1e9;
         int minCapacity = 1e9;
         for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
         for (int v = finish; v != start; v = edges[edgeTo[v]].other(v))
             bCapacity = min(bCapacity, edges[edgeTo[v]].capacityTo(v));
             minCapacity = min(minCapacity, edges[edgeTo[v]].capacityTo(v));
         return bCapacity;
         return minCapacity;
     }
     }
   
   
Строка 61: Строка 65:
   
   
  public:
  public:
     Graph(int vertexCount) :
     Graph(int vertexCount) : graph(vertexCount) {}
        graph(vertexCount), visited(vertexCount), edgeTo(vertexCount) {}
   
   
     void addEdge(int from, int to, int capacity) {
     void addEdge(int from, int to, int capacity) {
Строка 73: Строка 76:
         long long flow = 0;
         long long flow = 0;
         while (hasPath(start, finish)) {
         while (hasPath(start, finish)) {
             int deltaFlow = bottleneckCapacity(start, finish);
             int deltaFlow = getMinCapacity(start, finish);
             addFlow(start, finish, deltaFlow);
             addFlow(start, finish, deltaFlow);
             flow += deltaFlow;
             flow += deltaFlow;
Строка 80: 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 ==

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: