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 \(s\)\(t\) 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

  1. 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(\(u \neq s, t\))。
  2. 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。
  3. 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 \(h(u) = h(v) + 1\)\(c_f(u, v) > 0\),则推送流量:

\[ \Delta = \min(e(u), c_f(u, v)), \quad f(u, v) += \Delta, \quad f(v, u) -= \Delta \]

 更新 $ e(u) -= \Delta $,$ e(v) += \Delta $。  
  • 重标高度(Relabel):
    \(u\) 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。
  1. 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。

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 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(\( u \neq s, t \))。 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。 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: \[ \Delta = \min(e(u), c_ f(u, v)), \quad f(u, v) += \Delta, \quad f(v, u) -= \Delta \] 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。