xxx 最大流问题(Relabel-to-Front 算法)
字数 1415 2025-11-16 07:31:21
xxx 最大流问题(Relabel-to-Front 算法)
问题描述
最大流问题是在一个有向图中,从源点 \(s\) 到汇点 \(t\) 的流量分配问题。每条边有一个容量限制,目标是最大化从 \(s\) 到 \(t\) 的总流量。Relabel-to-Front 是 Push-Relabel 算法的一种高效实现,通过维护高度函数和超额流量,以 \(O(V^3)\) 时间复杂度解决该问题。
解题步骤详解
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基本概念
- 剩余容量:边 \((u, v)\) 的剩余容量为 \(c_f(u, v) = c(u, v) - f(u, v)\),其中 \(c\) 是容量,\(f\) 是当前流量。
- 高度函数 \(h(u)\):每个顶点的高度,满足 \(h(s) = |V|\),\(h(t) = 0\),且对于剩余网络中的边 \((u, v)\),有 \(h(u) \leq h(v) + 1\)。
- 超额流量 \(e(u)\):流入 \(u\) 的流量减去流出 \(u\) 的流量(\(u \neq s, t\))。
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初始化
- 设置所有边流量 \(f(u, v) = 0\)。
- 初始化高度:\(h(s) = |V|\),其他顶点 \(h(u) = 0\)。
- 从源点 \(s\) 向所有邻接顶点推送流量:对每个 \((s, v)\),设置 \(f(s, v) = c(s, v)\),并更新 \(e(v) = c(s, v)\),\(e(s)\) 减少相应值。
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算法主循环
维护一个顶点列表 \(L\)(除 \(s, t\) 外的所有顶点),按顺序处理每个顶点:- 推送操作(Push):
若顶点 \(u\) 有超额流量 \(e(u) > 0\),检查剩余网络中的边 \((u, v)\)。
如果 \(h(u) = h(v) + 1\) 且 \(c_f(u, v) > 0\),则推送流量:
- 推送操作(Push):
\[ \Delta = \min(e(u), c_f(u, v)), \quad f(u, v) += \Delta, \quad f(v, u) -= \Delta \]
更新 $ e(u) -= \Delta $,$ e(v) += \Delta $。
- 重标高度(Relabel):
若 \(u\) 有超额流量但无法推送(所有邻接边不满足高度条件),则设置:
\[ h(u) = 1 + \min\{ h(v) \mid (u, v) \in E_f \} \]
其中 $ E_f $ 是剩余网络中的边。
- 重复推送或重标直到 \(u\) 的超额流量为 0,然后处理 \(L\) 中下一个顶点。
- 处理完 \(L\) 后回到列表开头,直到所有顶点超额流量为 0。
- 终止条件
当所有顶点(除 \(s, t\))的超额流量为零时终止。此时从 \(s\) 发出的总流量即为最大流。
关键点说明
- 高度函数 防止流量形成循环,确保流向汇点 \(t\)。
- 顶点列表顺序 通过轮流处理避免饥饿现象。
- 复杂度:最坏 \(O(V^3)\),但实际效率常优于其他最大流算法。
通过以上步骤,Relabel-to-Front 算法逐步调整流量与高度,最终找到最大流。