Циркуляция потока

2020-01-11T17:44:39Z

188.170.77.62: wikitex removal

{{Определение
|definition=
Поток нулевой величины в [[Определение сети, потока|сети]] $G(V, E)$ называется '''циркуляцией''' (англ. ''circulation problem''). Каждое ребро $e_i$ имеет $l_i$ и $c_i$ {{---}} минимальная и максимальная пропускная способности соответственно. Необходимо выяснить, существует ли в этой сети циркуляция, удовлетворяющая пропускным способностям рёбер.
}}
[[Файл:Циркул2.png|frame|справа|Рисунок 1. Пример графа и циркуляции в нем (поток/пропуск.способность)]]

Иначе говоря, [[Определение сети, потока#Определение потока|закон сохранения потока]] <tex>\sum\limits_v f(u,v)=0</tex> должен выполняться для '''всех''' вершин графа, а значит нет нужды в истоке и стоке. Когда все $l_i$ равны $0$, достаточно пустить поток нулевой величины из каждой вершины, что и будет ответом. Поэтому далее в графе будут существовать рёбра с положительной нижней пропускной способностью.

==Решение==
<wikitex>Для решения этой задачи заменим исходную сеть $G$ на $G'$ следующим образом. Сначала добавим в граф вершины $s$ {{---}} исток и $t$ {{---}} сток. Для каждого ребра $e_i = v_{from} \xrightarrow{l_i, c_i} v_{to}$ добавим рёбра $s \xrightarrow{0, l_i} v_{to}$ и $u_{from} \xrightarrow{0, l_i} t$, а также сделаем в ребре $e_i$ изменения: $c_i = c_i - l_i, l_i = 0$ (см. рисунок 2).

[[Файл:Циркуляция.png|frame|center|Рисунок 2. Слева - изначальный граф. Для каждого ребра заданы его нижняя и верхняя пропускные способности. Справа - граф после преобразований рёбер.]]

Каждое ребро изначального графа заменяется на три новых. Если по ребру $e_i = (v_{from}, v_{to})$ в исходной сети протекает поток $l_i \leqslant f_i \leqslant c_i$, то в новой сети по ребру $(s, v_{to})$ должен течь поток, равный $l_i$, то есть его пропускной способности. Поток, который вытекает из $v_{from}$ по ребру в $G$, заменяется на поток, который протекает по рёбрам $(v_{from}, v_{to})$ и $(v_{from}, t)$ (поскольку сумма их пропускных способностей в полученном графе равна $c_i$). Аналогично, для вершины $v_{to}$ суммарный входящий поток не изменился. Таким образом, любой допустимый поток по любому ребру в изначальном графе можно распределить между тремя рёбрами в полученном графе. Заметим, что в сети $G'$ все $l_i = 0$, то есть мы имеем обыкновенную сеть.

Требовалось найти циркуляцию в исходной сети, а значит проверить существование потока, для которого выполнено равенство <tex>\sum\limits_v f(u,v) = 0</tex> для всех вершин графа. Это равносильно существованию потока между вершинами $s$ и $t$ в сети $G'$, который полностью насытит рёбра, исходящие из истока. Действительно, этот поток в исходном графе насытит $i$-ое ребро как минимум на $l_i$, что и является необходимым требованием. Если этот поток существует, то будет выполнено:
* $\sum\limits_v f(u,v)=0,$ где $u \in V'-\{s,t\}, v \in V'$, то есть для всех исходных вершин;
* В $G': f_i \leqslant c_i - l_i \Rightarrow 0 \leqslant f_i \leqslant c_i - l_i \Rightarrow l_i \leqslant f_i + l_i \leqslant c_i$, что удовлетворяет всем ограничениям.
Значит, этот поток и есть циркуляция.

Запустим в новой сети один из алгоритмов поиска максимального потока. Если он не смог полностью насытить все рёбра из истока, то и никакой другой по величине поток этого сделать не сможет, значит, циркуляции нет. Для получения величин потоков вдоль каждого ребра в изначальной сети достаточно прибавить к потокам вдоль рёбер в сети $G'$ соответствующие значения минимальной пропускной способности.
</wikitex>

==Псевдокод==
Конструктор ребра принимает следующие аргументы:
* <tex>\mathtt{from}</tex> {{---}} вершина начала ребра
* <tex>\mathtt{to}</tex> {{---}} вершина конца ребра
* <tex>\mathtt{minCap}</tex> {{---}} минимальная пропускная способность ребра
* <tex>\mathtt{maxCap}</tex> {{---}} максимальная пропускная способность ребра
'''function''' circulation(<tex>V,E</tex>):
<tex>G'=</tex> (<tex>V \cup s \cup t</tex>, <tex>\varnothing</tex>) // создаём новый граф с исходными вершинами и добавлением s и t {{---}} исток и сток
'''for''' <tex>e : e\in E</tex>
<tex>g</tex> = Edge(<tex>s</tex>, <tex>e</tex>.to, <tex>0</tex>, <tex>e</tex>.minCap)
<tex>h</tex> = Edge(<tex>e</tex>.from, <tex>e</tex>.to, <tex>0</tex>, <tex>e</tex>.maxCap - <tex>e</tex>.minCap)
<tex>k</tex> = Edge(<tex>e</tex>.from, <tex>t</tex>, <tex>0</tex>, <tex>e</tex>.minCap)
<tex>G'=G' \cup </tex>(<tex>\varnothing</tex>, <tex>g \cup h \cup k</tex>)
maxFlow = getMaxFlow(<tex>G'</tex>) // наибольший поток в графе G'
'''for''' <tex>e : e\in E'</tex> '''and''' <tex>e</tex>.from <tex>=s</tex>
'''if''' <tex>f</tex>(<tex>e</tex>) <tex> < e</tex>.maxCap // если для текущего ребра flow < cap
'''return''' false
'''return''' true

==Источники информации==
* [http://dl.dropbox.com/u/39566886/Graph-Theory-Algorithms-M-Ashraf-Iqbal.pdf M. Ashraf Iqbal {{---}}'''Graph Theory and Algorithms''']
* [http://e-maxx.ru/algo/flow_with_limits MAXimal :: algo :: flow with limits]
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Circulation_problem Wikipedia — Circulation problem]

[[Категория:Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория:Задача о максимальном потоке]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Циркуляция потока