KM演算法解決不同行不同列求和最大值問題

2021-08-28 20:45:17 字數 4310 閱讀 1564

用於求二分圖匹配的最佳匹配。何為最佳匹配?就是帶權二分圖的權值最大的完備匹配稱為最佳匹配。 那麼何為完備匹配?x部中的每乙個頂點都與y部中的乙個頂點匹配,或者y部中的每乙個頂點也與x部中的乙個頂點匹配,則該匹配為完備匹配。

二分圖:就是乙個圖中的頂點集v可分割為兩個互不相交的子集,並且圖中每條邊依附的兩個頂點都分屬於這兩個互不相交的子集(如x、y),兩個子集內的頂點不相鄰。

這裡我會一步一步的說明的,相關的名詞也會慢慢介紹,對於增廣路這個概念,我個人覺得在**中沒體現出來,所以就沒打算說這個事,如果使用增廣路,然後取反得到完備匹配的話,那麼個人感覺是需要設定兩種狀態,一種是可匹配(未匹配),另一種是已匹配,然後取反操作,似乎這樣就變得有些難理解了,所以在這裡並不打算說這個。

演算法步驟如下:

1.用鄰接矩陣(或其他方法也行啦)來儲存圖,注意:如果只是想求最大權值匹配而不要求是完全匹配的話,請把各個不相連的邊的權值設定為0。

2.運用貪心演算法初始化標桿。

3.運用匈牙利演算法找到完備匹配(遍歷x集合的每個頂點)。

4.如果找不到,則通過修改標桿,增加一些邊。

5.重複3,4的步驟,直到完全匹配時可結束。

在這裡設cx[i]為x集合的標桿,cy[i]為y集合的標桿,w[i][j]為圖的鄰接矩陣表示x[i]–y[j]邊的權值。

標桿:是為了求最大(小)權值而引入的乙個概念,用於儲存x集合每個頂點到y頂點中的最大值,而y集合的標桿值全初始化為0,如下圖中,x集合為,而y集合為,每個x的頂點標桿值為路徑權值的最大值,而y的頂點的標桿值初始化為0.

重點:因為使用了標桿這個概念,我們在使用匈牙利演算法進行邊匹配的時候就不能是看邊是否存在,也就是判斷w[i][j]==0來判斷邊是否存在,引入標桿後,我們判斷邊是否存在(這裡指的是匹配的兩個標桿的值的合是否與路徑值相等,不相等就不存在),即cx[i]+cy[j]-w[i][j]==0,如果該等式成立的話,就表明這兩個頂點可以匹配(連線),但並不表明這兩個頂點可以直接匹配(連線),因為可能還有其他點與其連線,所以在這種條件下,存在兩種情況:

1、如果這個成立且y[j]邊沒有被x集合中其他頂點匹配。

2、y[j]邊已經被x集合中的某一頂點x[k]匹配,但是x[k]可以匹配其他的頂點,或者是x[i]可以改選其他的匹配。

只要滿足以上兩個條件之一,x[i]與y[j]就可以匹配,然後這裡問題又來了,如果碰上情況2的話,如何讓x[k]去匹配其他頂點呢?這時候,我們就要靠d值去更新標桿值,d=min(cx[i]+cy[j]-w[i][j]),這時候標桿的作用就體現出來了,不太了解是什麼意思的話,我這裡舉乙個例子:

在上圖中,首先a與d匹配,記作a-d,然後b的標桿值為14,而14+0=14,所以b也要去匹配d,此時就碰上條件2的問題,那麼我們該讓a、b兩點誰去匹配其他點呢?,這時候就得根據d值進行選擇,從圖上,我們可以看出d=cx[a]+cy[e]-w[a]][e]=3,是a到除了被匹配的點以外的其他點(即除了d點以外的點)權值變化最小的d值,而b到除了d點以外的點的變化最小的d值為cx[b]+cy[f]-w[b][f]=6,這裡我們就可以看出,如果要改動b的話,需要變化或者說是變動)的權值為6,相比起改動a的匹配點僅僅需要變化3來說,改動b是不划算(對於求最大權值來說是不划算),所以我們就更新各個標桿的值,讓a可以去匹配e,即a-e,b-d,當然,這裡並沒完成匹配,只是更新標桿值。

到這裡,應該清楚如何新增新的邊了,新增完新的邊後,對應的標桿值也需要更新,即a、b的標桿值-d,d的標桿值+d,這裡我們就需要清楚,到底是哪些值會受影響,如上面受影響的是集合x中的與y集合中的,也就是當我們遍歷b點匹配的時候,匹配形成的路線是b-d-a,是一條不合法(衝突)的路徑,此時設定乙個集合s儲存不合法路徑中的x集合元素a、b,集合t儲存不合法路徑中的y集合元素d,這樣每次更新d值的時候,遍歷s集合進行-d,遍歷t集合進行+d即可。

上面算是對步驟3、4進行詳解了,接下來可以來手工模擬上圖的求值步驟。

1、遍歷x集合,首先,a可匹配d,d沒有被匹配過,a匹配d。

2、b可匹配d,而a已經匹配d,形成b-d-a不合法路徑,此時s集合為,t集合為,那麼從a、b兩者中找匹配e、f變動權值最小的點進行更改匹配,經過d值比較得出a匹配e變動較小,d=3,所以更新s集合與t集合中的標桿值,值的變化使得a可以匹配e,也仍舊可以匹配d。

3、更新完值後清空集合s、t,再次遍歷b點匹配,然後b與d匹配,a與e匹配。

4、c無可匹配的點,此時s集合為,t集合為{},那麼從c匹配d、e、f中找d值變動最小的進行匹配,此時d標桿值為3,所以d1=cx[c]+cy[d]-w[c][d]=3,d2=cx[c]+cy[e]-w[c][e]=1,d3=3,選取最小的d2=1,然後更新集合s中元素的值,此時s集合只有c,所以c標桿值=cx[c]-d=12。

5、因為c沒有匹配到值,所以還得繼續匹配,此時c可以匹配e,而a已經匹配e了,形成c-e-a-d-b不合法路徑,此時s集合為,t集合為,這時候找a、b、c到點f變動最小得值d,然後再更新s集合與t集合各頂點的標桿,在這裡d=2,即c可匹配f變動最小。

6、更新完值後清空集合s、t,c標桿值為10,再次為c進行匹配,此時f可匹配,因為x集合點遍歷完成,所以程式結束。

7、經過上面的匹配,得到的結果是a-e,b-d,c-f,則最大值就是12+14+10=36.

下面是偽**,和實際**其實差別不大…

findpath函式,即找point到y集合中每個點是否存在匹配路徑,s、t則負責記錄經過的路徑用於在找不到匹配路徑的情況下新增新的邊,以及防止進入死遞迴。

//鄰接矩陣的行與列值

int row,col;

//記錄x-y頂點匹配的陣列,即link[y]=x,表示集合y的第y個頂點與x集合的第x頂點匹配

int link[maxline]=;

//儲存圖的權值的鄰接矩陣

int w[maxline][maxline]=;

//儲存x、y標桿權值的陣列

int cx[maxline]=,cy[maxline]=;

bool findpath(int point,char *s,char *t)

} return false;

}int km()

實際**採用的是別人寫的,出自於:二分圖(三)——km演算法

個人僅僅修改了部分**以及注釋,因為邏輯挺清楚的,就不打算重寫了,這裡也挺佩服這些演算法競賽的人,初中高中就在學這些演算法,想想我那時候還在網咖玩遊戲…哈哈…

#include#include#includeusing namespace std;

const size_t size = 1000;

int w[size][size];

const int inf = (1 << 20) - 1;

int m, n;

int cx[size], cy[size];

bool u***[size], usey[size];//用於記錄每輪的集合s與t

int link[size];//link[i]=x代表集合y[i]中的頂點與x匹配或者連線

//dfs 1、return false,用於記錄集合s與t,通過深度遍歷,找到連線路徑上的點。

//2、retrurn true,用於記錄匹配,或者對已匹配的點進行再匹配。

bool dfs(int u)

} return 0;

}int km()

}if (d == inf)

return -1;

//更新s、t集合中的標桿值。

for (int i = 1; i <= n; i++)

if (u***[i])cx[i] -= d;

for (int i = 1; i <= m; i++)

if (usey[i])cy[i] += d;

} }int ans = 0;

for (int i = 1; i <= m; i++)

return ans;

}int main()

return 0;

}

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