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网络流

网络流(network-flows)是一种类比水流的解决问题方法,与线性规划密切相关。网络流的理论和应用在不断发展,出现了具有增益的流、多终端流、多商品流以及网络流的分解与合成等新课题。网络流的应用已遍及通讯、运输、电力、工程规划、任务分派、设备更新以及计算机辅助设计等众多领域。
图论中的一种理论与方法,研究网络上的一类最优化问题 ,运筹学中的最优化问题。

所谓网络或容量网络指的是一个连通的赋权有向图 D= (V、E、C) , 其中V 是该图的顶点集,E是有向边(即弧)集,C是弧上的容量。此外顶点集中包括一个起点和一个终点。网络上的流就是由起点流向终点的可行流,这是定义在网络上的非负函数,它一方面受到容量的限制,另一方面除去起点和终点以外,在所有中途点要求保持流入量和流出量是平衡的。如果把下图看作一个公路网,顶点v1…v6表示6座城镇,每条边上的权数表示两城镇间的公路长度。现在要问 :若从起点v1将物资运送到终点v6去 ,应选择那条路线才能使总运输距离最短?这样一类问题称为最短路问题 。 如果把上图看作一个输油管道网 , v1 表示发送点,v6表示接收点,其他点表示中转站 ,各边的权数表示该段管道的最大输送量。现在要问怎样安排输油线路才能使从v1到v6的总运输量为最大。这样的问题称为最大流问题。

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1. augment path(Ford-Fulkerson福特-福克森算法),直译为“增广路径”,其思想大致如下

每次操作时从Source点搜索出一条到Sink点的路径,然后将该路径上所有的容量减去该路径上容量的最小值,然后对路径上每一条边添加或扩大反方向的容量,大小就是刚才减去的容量。一直到没有路为止。此时辅助图上的正向流就是最大流。

寻找通路的时候可以用DFS,BFS最短路等算法。就这两者来说,BFS要比DFS快得多,但是编码量也会相应上一个数量级。

增广路方法可以解决最大流问题,然而它有一个不可避免的缺陷,就是在极端情况下每次只能将流扩大1(假设容量、流为整数),这样会造成性能上的很大问题,解决这个问题有一个复杂得多的算法,就是预推进算法。




2. push label,直译为“预推进”算法。

3. 压入与重标记(Push-Relabel)算法

它的基本操作有:压入,作用于一条边,将边的始点的预流尽可能多的压向终点;重标记,作用于一个点,将它的高度(也就是label)设为所有邻接点的高度的最小值加一。Push-Relabel系的算法普遍要比Ford-Fulkerson系的算法快,但是缺点是相对难以理解。

Relabel-to-Front使用一个链表保存溢出顶点,用Discharge操作不断使溢出顶点不再溢出。Discharge的操作过程是:若找不到可被压入的临边,则重标记,否则对临边压入,直至点不再溢出。算法的主过程是:首先将源点出发的所有边充满,然后将除源和汇外的所有顶点保存在一个链表里,从链表头开始进行Discharge,如果完成后顶点的高度有所增加,则将这个顶点置于链表的头部,对下一个顶点开始Discharge。
Relabel-to-Front算法的时间复杂度是O(V^3),还有一个叫Highest Label Preflow Push的算法复杂度据说是O(V^2*E^0.5)。我研究了一下HLPP,感觉它和Relabel-to-Front本质上没有区别,因为Relabel-to-Front每次前移的都是高度最高的顶点,所以也相当于每次选择最高的标号进行更新。还有一个感觉也会很好实现的算法是使用队列维护溢出顶点,每次对pop出来的顶点discharge,出现了新的溢出顶点时入队。
Push-Relabel类的算法有一个名为gap heuristic的优化,就是当存在一个整数0 < k < V,没有任何顶点满足h[v]=k时,对所有h[v]>k的顶点v做更新,若它小于V+1就置为V+1。

资料

网络流(理论详解)
注意容量和流量的区别。其中f(u,v)的范围需要额外注意,是 0<= f(u,v) <= c(u,v),不会出现所谓的负流量。

可行流