Алгоритм поиска блокирующего потока в ациклической сети

Жадный Алгоритм

Идея

Идея заключается в том, чтобы по одному находить пути из [math]s[/math] в [math]t[/math], пока это возможно.

Корректность

Данная идея корректна, поскольку [math]dfs[/math] найдёт все пути из [math]s[/math] в [math]t[/math], если из [math]s[/math] достижима [math]t[/math], а пропускная способность каждого ребра [math]c(u, v)\gt 0[/math] поэтому, насыщая рёбра, мы хотя бы единожды достигнем стока [math]t[/math], следовательно блокирующий поток всегда найдётся.

Асимптотика

Используя [math]dfs[/math] каждый путь находится за [math]O(E)[/math]. Поскольку каждый путь насыщает как минимум одно ребро, всего будет [math]O(E)[/math] путей. Итого общая асимптотика составляет [math]O(E^2)[/math].

Удаляющий обход

Идея

По-прежнему по одному находятся пути из [math]s[/math] в [math]t[/math], но применяется следующая оптимизация: в процессе обхода в глубину удаляются все ребра, вдоль которых нельзя дойти до стока. То есть, если для текущей вершины [math]v[/math] выполнено [math]dfs(v) = false[/math], нужно удалить из графа эту вершину и все инцидентные ей ребра. С точки зрения реализации, надо просто поддерживать в списке смежности каждой вершины указатель на первое неудалённое ребро, и увеличивать этот указатель в цикле внутри обхода в глубину.

int dfs (int v, int flow) 
{
   if (!flow)  return 0;
   if (v == t)  return flow;
   for (int & to=ptr[v]; to<n; ++to) 
   {
       if (d[to] != d[v] + 1)  continue;
       int pushed = dfs (to, min (flow, c[v][to] - f[v][to]));
       if (pushed) 
       {
           f[v][to] += pushed;
           return pushed;
       }
    }
    return 0;
}

.....................................

while (pushed = dfs(s, INF))
   flow += pushed;

Корректность

Аналогично предыдущему пункту.

Асимптотика

Если обход в глубину достигает стока, насыщается как минимум одно ребро, иначе как минимум один указатель продвигается вперед. Значит один запуск обхода в глубину работает за [math]O(V + K)[/math], где [math]K[/math] - число продвижения указателей. Учитывая, что всего запусков обхода в глубину в рамках поиска одного блокирующего потока будет [math]O(P)[/math], где [math]P[/math] — число рёбер, насыщенных этим блокирующим потоком, то весь алгоритм поиска блокирующего потока отработает за [math]O(PV + \sum\limits_i{K_i})[/math], что, учитывая, что все указатели в сумме прошли расстояние [math]O(E)[/math], дает асимптотику [math]O(PV + E)[/math]. В худшем случае, когда блокирующий поток насыщает все ребра, асимптотика получается [math]O(VE)[/math].

Замечание Если в алгоритме Диница искать блокирующий поток удаляющим обходом, то его эффективность составит [math]O(V^2E)[/math], что уже лучше эффективности алгоритма Эдмондса-Карпа [math]O(VE^2)[/math].

Алгоритм узкого места

Идея

Для каждой вершины вводится потенциал потока, равный максимальному дополнительному потоку, который может пройти через эту вершину. Далее следует цикл. На каждой его итерации определяется вершина [math]r[/math] с минимальным потенциалом [math]\rho[/math]. Затем пускается поток величины [math]\rho[/math] из истока в сток, проходящий через эту вершину. При этом если остаточная пропускная способность ребра равна нулю, то это ребро удаляется. Также, удаляются все вершины, у которых не остаётся ни одного входящего и/или ни одного выходящего ребра. При удалении вершины все смежные ребра удаляются.

Подробное описание

Для каждой вершины вычислим входящий и исходящий потенциал вершин — сумму пропускных способностей дуг сети Диница, входящих и исходящих из вершины соответственно. Входящий потенциал истока и исходящий потенциал стока положим равными бесконечности. Определим потенциал или пропускную способность вершины в сети как минимум из ее входящего и исходящего потенциалов. Таким образом, потенциал вершины определяет максимально возможное количество потока, который может через нее проходить. Ясно, что через вершины с нулевым потенциалом поток проходить не может. Следовательно, их можно удалить из вспомогательной сети. Удалим эти вершины и дуги, им инцидентные, обновив должным образом потенциалы вершин, смежных с удаленными. Если в результате появятся новые вершины с нулевым потенциалом, удалим рекурсивно и их. В результате во вспомогательной сети останутся только вершины с ненулевым потенциалом.

После этого приступим к построению блокирующего потока. Пусть вершина [math]v[/math] принадлежит [math]k[/math]-ому слою. Протолкнем [math]p[/math] единиц потока из вершины с минимальным потенциалом в смежные с ней вершины по исходящим дугам с ненулевой остаточной пропускной способностью. Попутно будем переносить проталкиваемый поток в исходную сеть, а также корректировать потенциалы вершин, отправляющих и принимающих избыток потока. В результате, весь (в виду минимальности потенциала вершины [math]v[/math]) проталкиваемый поток соберется в вершинах [math](k+1)[/math]-го слоя. Повторим процесс отправки потока из вершин [math](k+1)[/math]-го слоя, содержащих избыток потока, в смежные им вершины [math](k+2)[/math]-го слоя. И так до тех пор, пока весь поток не соберется в последнем слое. Заметим, что в этом слое содержится только сток, ибо все остальные вершины, ранее ему принадлежащие, были удалены из сети Диница, как вершины, имеющие нулевой потенциал. Следовательно, весь поток величины [math]p[/math], отправленный из вершины с минимальным потенциалом полностью соберется в стоке. На втором этапе вновь, начиная с вершины [math]v[/math], осуществляется подвод потока уже по входящим дугам. В результате на первом шаге недостаток потока переадресуется к узлам [math](k-1)[/math]-го слоя, затем [math](k-2)[/math]-го. И так до тех пор, пока весь потока величины [math]p[/math], отправленные из вершины с минимальным потенциалом, не соберется в истоке. Таким образом, поток и во вспомогательной и в основной сети увеличится на величину [math]p[/math].

[math]MPM algorithm(s, t)[/math]
[math]for each (uv) \in E[/math]
  [math]f(uv)[/math] = 0;
Вычисляем остаточную сеть [math]R[/math];
Найдём вспомогательный граф [math]L[/math] для [math]R[/math];
[math]while (t \in L)[/math]
[math]begin[/math]
  [math]while[/math] ([math]t[/math] достижима из [math]s[/math] в [math]L[/math])
  [math]begin[/math]
    найдём [math]v[/math] с миниальной пропускной способностью [math]g[/math];
    проталкиваем [math]g[/math] единиц потока из [math]v[/math] в [math]t[/math];
    проталкиваем [math]g[/math] единиц потока из [math]s[/math] в [math]v[/math];
    изменяем [math]f[/math], [math]L[/math] и [math]R[/math];
  [math]end[/math]
  вычисляем новый вспомогательный граф [math]L[/math] из [math]R[/math];
[math]end[/math]

Асимптотика

Если информация о входящих и исходящих дугах будет храниться в виде связных списков, то для того, чтобы пропустить поток, на каждой итерации будет выполнено [math]O(V + E_i)[/math] действий, где [math]V[/math] соответствует числу рёбер, для которых остаточная пропускная способность уменьшилась, но осталась положительной, а [math]E_i[/math] — числу удалённых ребер. Таким образом, для поиска блокирующего потока будет выполнено [math]\sum\limits_i{O(V+E_i)} = O(V^2)[/math] действий.

Замечание Алгоритм Малхотры — Кумара — Махешвари для поиска блокирующего потока использует алгоритм узкого места.

Волновой алгоритм

Используя предпотоки, позволяет найти блокирующий поток за [math]O(V^2)[/math]. Модификация алгоритма Диница, основанная на этом алгоритме, называется алгоритмом Карзанова.

Источники

• e-maxx
• [1]
• Алгоритм Малхотры — Кумара — Махешвари