Алгоритм Куна для поиска максимального паросочетания

2015-02-04T10:50:36Z

188.232.142.138:

==Теорема==
{{Теорема
|statement=
Если из вершины <tex>x</tex> не существует [[Теорема о максимальном паросочетании и дополняющих цепях|дополняющей цепи]] относительно паросочетания <tex>M</tex> и паросочетание <tex>M'</tex> получается из <tex>M</tex> изменением вдоль дополняющей цепи, тогда из <tex>x</tex> не существует дополняющей цепи в <tex>M'</tex>.
|proof=
[[Файл:Kuhn2.png|thumb|right|300x300px|Рисунок 1.]]
[[Файл:Kuhn1.png|thumb|right|300x300px|Рисунок 2. Пунктиром обозначен путь между двумя вершинами. Ребро красного цвета лежит в паросочетании, а черного - нет.]]
: Доказательство от противного. 
: Допустим в паросочетание внесли изменения вдоль дополняющей цепи <tex>(y \rightsquigarrow z)</tex> и из вершины <tex>x</tex> появилась дополняющая цепь.
: Заметим, что эта дополняющая цепь должна вершинно пересекаться с той цепью, вдоль которой вносились изменения, иначе такая же дополняющая цепь из <tex>x</tex> существовала и в исходном паросочетании. 
: Пусть <tex>p</tex> – ближайшая к <tex>x</tex> вершина, которая принадлежит и новой дополняющей цепи и цепи <tex>(y \rightsquigarrow z)</tex>.
: Тогда <tex>MP</tex> – последнее ребро на отрезке <tex>(y \rightsquigarrow p)</tex> цепи <tex>(y \rightsquigarrow z)</tex>, <tex>NP</tex> – последнее ребро на отрезке <tex>(z \rightsquigarrow p)</tex> цепи <tex>(y \rightsquigarrow z)</tex>, <tex>QP</tex> - последнее ребро лежащее на отрезке <tex>(x \rightsquigarrow p)</tex> новой дополняющей цепи(см. Рисунок 1). 
: Допустим <tex>MP</tex> принадлежит паросочетанию <tex>M'</tex>, тогда <tex>NP</tex> ему не принадлежит. 
:: (Случай, когда <tex>NP</tex> принадлежит паросочетанию <tex>M'</tex> полностью симметричен.) 
: Поскольку паросочетание <tex>M'</tex> получается из <tex>M</tex> изменением вдоль дополняющей цепи <tex>(y \rightsquigarrow z)</tex>, в паросочетание <tex>M</tex> входило ребро <tex>NP</tex>, а ребро <tex>MP</tex> нет.
: Кроме того, ребро <tex>QP</tex> не лежит ни в исходном паросочетании <tex>M</tex>, ни в паросочетании <tex>M'</tex>, в противном случае оказалось бы, что вершина <tex>p</tex> инцидентна нескольким ребрам из паросочетания, что противоречит определению паросочетания. 
:Тогда заметим, что цепь <tex>(x \rightsquigarrow z)</tex>, полученная объединением цепей <tex>(x \rightsquigarrow p)</tex> и <tex>(p \rightsquigarrow z)</tex>, по определению будет дополняющей в паросочетании <tex>M</tex>, что приводит к противоречию, поскольку в паросочетании <tex>M</tex> из вершины <tex>x</tex> не существует дополняющей цепи.
}}

==Алгоритм==
Задан граф <tex>G\langle V, E \rangle</tex>, про который известно, что он двудольный, но разбиение не задано явно.Требуется найти наибольшее паросочетание в нем

Алгоритм можно описать так: сначала возьмём пустое паросочетание, а потом — пока в графе удаётся найти увеличивающую цепь, — будем выполнять чередование паросочетания вдоль этой цепи, и повторять процесс поиска увеличивающей цепи. Как только такую цепь найти не удалось — процесс останавливаем, — текущее паросочетание и есть максимальное.

В массиве <tex>\mathtt{matching}</tex> хранятся паросочетания <tex> (v, \mathtt{matching}[v]) </tex> (Если паросочетания с вершиной <tex> v </tex> не существует, то <tex> \mathtt{matching}[v]= -1</tex>). А <tex>used</tex> — обычный массив "посещённостей" вершин в обходе в глубину (он нужен, чтобы обход в глубину не заходил в одну вершину дважды).
Функция <tex> \mathrm{dfs} </tex> возвращает <tex>true</tex>, если ей удалось найти увеличивающую цепь из вершины <tex>v</tex>, при этом считается, что эта функция уже произвела чередование паросочетания вдоль найденной цепи.

Внутри функции просматриваются все рёбра, исходящие из вершины <tex>v</tex>, и затем проверяется: если это ребро ведёт в ненасыщенную вершину <tex> to</tex>, либо если эта вершина <tex>to</tex> насыщена, но удаётся найти увеличивающую цепь рекурсивным запуском из <tex>\mathtt{matching}[to]</tex>, то мы говорим, что мы нашли увеличивающую цепь, и перед возвратом из функции с результатом <tex>true</tex> производим чередование в текущем ребре: перенаправляем ребро, смежное с <tex>to</tex>, в вершину <tex> v</tex>.

В основной программе сначала указывается, что текущее паросочетание — пустое (массив <tex> \mathtt{matching}</tex> заполняется числами <tex>-1</tex>). Затем перебирается вершина <tex>v </tex>, и из неё запускается обход в глубину <tex> \mathrm{dfs} </tex>, предварительно обнулив массив <tex> used</tex>.

Стоит заметить, что размер паросочетания легко получить как число вызовов <tex> \mathrm{dfs} </tex> в основной программе, вернувших результат <tex> true </tex>. Само искомое максимальное паросочетание содержится в массиве <tex> \mathtt{matching}</tex>.
После того, как все вершины <tex>v \in V</tex> будут просмотрены, текущее паросочетание будет максимальным.
Корректность алгоритма следует из [[Теорема о максимальном паросочетании и дополняющих цепях|теоремы о максимальном паросочетании и дополняющих цепях]] и теоремы, описанной выше. 

==Реализация==

* Граф <tex>G\langle V, E \rangle</tex> хранится в матрице смежности <tex>g[i][j]</tex> размера <tex>n </tex> на <tex>n</tex>
*<tex>n = |V|</tex>

'''bool''' dfs(v: '''int'''):
'''if''' (used[v])
'''return''' ''false''
used[v] = ''true''
'''for''' to '''in''' g[v]
'''if''' (matching[to] == -1 '''or''' dfs(matching[to])):
matching[to] = v
'''return''' ''true''
'''return''' ''false''

function '''main'''():
fill(matching, -1)
'''for''' i = 1..n
fill(used, ''false'')
dfs(i)
'''for''' i = 1..n
'''if''' (matching[i] != -1)
print(i, " ", matching[i])

==Время работы==
:Итак, алгоритм Куна можно представить как серию из <tex>n</tex> запусков обхода в глубину на всём графе.
:Следовательно, всего этот алгоритм исполняется за время <tex>O(nm)</tex>, где <tex>m</tex> {{---}} количество ребер, что в худшем случае есть <tex>O(n^3)</tex>
:Если явно задано разбиение графа на две доли размером <tex>n_1</tex> и <tex>n_2</tex>, то можно запускать <tex>\mathtt{dfs}</tex> только из вершин первой доли, поэтому весь алгоритм исполняется за время <tex>O(n_1m)</tex>. В худшем случае это составляет <tex>O(n_1^2n_2).</tex>

==Ссылки==

* [[Теорема_о_максимальном_паросочетании_и_дополняющих_цепях|Теорема о максимальном паросочетании и дополняющих цепях]]
* [[Алгоритм Форда-Фалкерсона для поиска максимального паросочетания|Алгоритм Форда-Фалкерсона для поиска максимального паросочетания]]

==Источники информации==
*[http://e-maxx.ru/algo/kuhn_matching MAXimal :: algo :: Алгоритм Куна нахождения наибольшего паросочетания] 
* Асанов М., Баранский В., Расин В. {{---}} Дискретная математика: Графы, матроиды, алгоритмы — СПб.: Издательство "Лань", 2010. — 291 стр.
[[Категория: Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория: Задача о паросочетании]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Алгоритм Куна для поиска максимального паросочетания