km演算法學習小記

2021-07-15 04:37:12 字數 1339 閱讀 2422

這個演算法其實在學匈牙利演算法時就看過了,不過當時沒搞懂???

現在一看,其實還挺好理解的。

km演算法是求最大權完備匹配,事實上它同時能處理最小權完備匹配(把邊權取反)和非完備匹配(新增原本不存在的邊且邊權賦值為0),另外還在一位神犇的部落格裡了解到,如果我想要邊權之積最大,則每條邊權取自然對數,然後求最大和權匹配,求得的結果a再算出e^a就是最大積匹配。至於精度問題則。。。不知所措。

km演算法是通過給每個頂點乙個標號(叫做頂標)來把求最大權匹配的問題轉化為求完備匹配的問題的。設頂點xi的頂標為a[i],頂點yi的頂標為b[i],頂點xi與yj之間的邊權為w[i,j]。在演算法執行過程中的任一時刻,對於任一條邊(i,j),a[i]+b[j]>=w[i,j]始終成立,初始a[i]為與xi相連的邊的最大邊權,b[j]=0。km演算法的正確性基於以下定理:

設 g(v,e) 為二部圖, g』(v,e』) 為二部圖的子圖。如果對於 g』 中的任何邊[x,y]滿足, a(x)+ b(y)== wx,y,我們稱 g』(v,e』) 為 g(v,e) 的等價子圖或相等子圖(是g的生成子圖)。

若由二分圖中所有滿足a[i]+b[j]=w[i,j]的邊(i,j)構成的子圖(稱做相等子圖)有完備匹配,那麼這個完備匹配就是二分圖的最大權匹配。

因為對於二分圖的任意乙個匹配,如果它包含於相等子圖,那麼它的邊權和等於所有頂點的頂標和;如果它有的邊不包含於相等子圖,那麼它的邊權和小於所有頂點的頂標和(即不是最優匹配)。所以相等子圖的完備匹配一定是二分圖的最大權匹配。

初始時為了使a[ i ]+b[j]>=w[i,j]恆成立,令a[ i ]為所有與頂點xi關聯的邊的最大權,b[j]=0。如果當前的相等子圖沒有完備匹配,就按下面的方法修改頂標以使擴大相等子圖,直到相等子圖具有完備匹配為止。

若求當前相等子圖的完全匹配失敗了,則必須修改頂標。而此時我們會得到一棵交錯樹。現在我們把交錯樹中x頂點的頂標全都減小某個值d,y頂點的頂標全都增加同乙個值d,顯然相等子圖只有可能被擴大。

而一次修改,至少有一條邊進入相等子圖,d應該等於:

min。

樸素的做法是o(n^4),主要因為列舉d的複雜度很大,為o(n^2)。

若我們給每個y頂點乙個「鬆弛量」函式slack,每次開始找增廣路時初始化為無窮大。在尋找增廣路的過程中,檢查邊(i,j)時,如果它不在相等子圖中,則讓slack[j]變成原值與a[ i ]+b[j]-w[i,j]的較小值。這樣,在修改頂標時,取所有不在交錯樹中的y頂點的slack值中的最小值作為d值即可。但還要注意一點:修改頂標後,要把所有的不在交錯樹中的y頂點的slack值都減去d。這樣就能做到o(n)找到d,使時間複雜度降到o(n^3)

km演算法雖然應用比費用流小,但是程式設計複雜度低,也便於理解,而且也能為學習費用流做基礎,個人感覺還是很有必要學會km演算法的。

演算法學習 KM演算法

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