Сумма потоков через дуги, инцидентные v , равна сумме потоков через дуги, инцидентные w ; эта сумма называется величиной потока. Будем в первую очередь интересоваться потоками, имеющими наибольшую возможную величину, - так называемыми максимальными потоками. В общем случае сеть может иметь несколько различных максимальных потоков, однако их величины должны совпадать. (4)
Изучение максимальных потоков через сеть N = (V,D,a) тесно связано с понятием разреза, т.е. такого множества A дуг орграфа D, которое обладает тем свойством, что любая простая цепь из v в проходит через дугу, принадлежащую A. Пропускной способностью разреза называется сумма пропускных способностей принадлежащих ему дуг. Разрезы, обладающие наименьшей возможной пропускной способностью, называются минимальными разрезами.
Величина любого потока не превышает пропускной способности любого разреза, и, следовательно, величина любого максимального потока не превышает пропускной способности любого минимального разреза. Однако сразу не ясно, что два последних числа всегда равны между собой; Этот результат был получен американскими математиками Фордом и Фалкерсоном в 1955 году и назван теоремой о максимальном потоке и минимальном разрезе.
Теорема (о максимальном потоке и минимальном разрезе) . Во всякой сети величина любого максимального потока равна пропускной способности любого минимального разреза.
Теорема о максимальном потоке и минимальном разрезе позволяет проверять, максимален данный поток или нет, но только для достаточно простых сетей. Разумеется, на практике приходится иметь дело с большими и сложными сетями, и в общем случае трудно найти максимальный поток простым подбором. Опишем один алгоритм нахождения максимального потока в любой сети с целочисленными пропускными способностями.
Шаг 1 . Сначала подберем поток, обладающий ненулевой величиной (если такой поток существует). Например, если N – сеть, представленная на рис. 29.3, то подходящим будет поток, изображенный на рис. 29.4. Стоит отметить, что чем больше величина выбранного нами начального потока , тем проще будут последующие шаги.
Шаг 2 . Исходя из N, строим новую сеть N’ путем изменения направления потока на противоположное. Более точно, любая дуга a, для которой(a) = 0, остается в N’ со своей первоначальной пропускной способностью, а любая дуга a, для которой , заменяется дугой a с пропускной способностью и противоположно направленной дугой с пропускной способностью (a). Сеть N’ в нашем примере показана на рис. 29.5. Вершина v уже не является источником,а – стоком.
Шаг 3 . Если в сети N’ мы сможем найти ненулевой поток из v в, то его можно добавить к первоначальному потокуи получить в N новый поток’большей величины. Теперь можно повторить шаг 2, используя при построении сети N’ новый поток’ вместо. Повторяя эту процедуру, мы в конце концов придем к сети N’ , не содержащей ненулевых потоков; тогда соответствующий потокбудет максимальным потоком. Например, на рис. 29.5 существует ненулевой поток, в котором потоки через дуги (v,u ), (u,z ), (z,x ), (x,y ) и (y, ) равны единице, а потоки через остальные дуги равны нулю. Добавляя этот поток к потоку на рис. 29.4, получим поток, изображенный на рис. 29.6; повторяя шаг 2, легко показать, что это и есть максимальный поток.
Используемая литература:
(1) http://pgap.chat.ru/zap/zap264.htm#0
(2) Асанов М.О., Баранский В.А., Расин В.В. Дискретная математика: графы матроиды, алгоритмы
(3) Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети.
(4) Уилсон Р. Введение в теорию графов
Идея этого алгоритма состоит в поиске сквозных путей с положительными потоками от источника к стоку.
Рассмотрим ребро (i, j) с (начальной) пропускной способностью. В процессе выполнения алгоритма части этих пропускных способностей «забираются» потоками, проходящими через данное ребро, в результате каждое ребро будет иметь остаточную пропускную способность. Запись - остаточная пропускная способность. Сеть в которой все ребра имеют остаточную пропускную способность, назовем остаточной.
Для произвольного узла j, получающего поток из узла i, определим метку, где - величина потока, протекающего от j узла к узлу i. Чтобы найти максимальный поток, выполняем следующие действия.
Для всех ребер положим остаточную пропускную способность равной первоначальной пропускной способности, т.е. приравняем =. Назначим и пометим узел 1 меткой. Полагаем i=1.
Множество узлов j, в которые можно перейти из узла I по ребру с положительной остаточной пропускной способностью >0 для всех j. Если, выполняем 3 этап, в противном случае переходим к 4.
В находим узел k, такой, что. Положим и пометим узел k меткой. Если k=n, сквозной путь найден, и переходим к 5 этапу, в противном случае полагаем i=k и возвращаемся к 2 этапу.
Откат назад. Если i=1, сквозной путь не возможен, и переходим к 6. Если, находим помеченный узел r, непосредственно предшествующий узлу i, и удаляем его из множества узлов, смежных с узлом r. Полагаем i=r и возвращаемся ко 2 этапу.
Определение остаточной сети. Обозначим через множество узлов, через которые проходит p_й найденный сквозной путь от узла источника (узел 1) до узла стока (узел n).тогда максимальный поток, проходящий по этому пути
Остаточные пропускные способности ребер, составляющих сквозной путь, уменьшаются на величину в направлении движения потока и увеличиваются на эту же величину в противоположном направлении.
Т.о. для ребра (i, j), входящего в сквозной путь, текущие остаточные пропускные способности изменяются:
1) , если поток идет от узла i к j,
2) , если поток идет от узла j к i.
а) при m найденных сквозных путях максимальный поток выражается
б) Имея значения начальных и конечных пропускных способностей ребра (i, j), можно вычислить оптимальный поток через это ребро следующим образом. Положим. Если >0, поток, проходящий через ребро (i, j) равен. Если >0, тогда поток равен. (случай, когда одновременно >0 и >0, невозможен).
Пример 1. Найти максимальный поток в сети рис. 1
Итерация 1. =
3) k=3, так как. Назначаем и помечаем узел 3 меткой. i=3 и возвращаемся к 2)
5) k=5 и. Помечаем узел 5 меткой. Получаем сквозной путь.
6) сквозной путь определяем по меткам, начиная с узла 5 и заканчивая узлом 1: . и. Вычисляем остаточные пропускные способности вдоль пути:
Итерация 2.
1) и помечаем узел 1 меткой. i=1
2») (, поэтому узел 5 не включается в
3») k=4, и помечаем узел 4 меткой. i=4 и возвращаемся к 2)
2""") (так как узлы 1 и 3 помечены, они не включаются в)
3""") k=5 и. Помечаем узел 5 меткой. Получен сквозной путь. Переходим к 5)
Итерация 3.
1) и помечаем узел 1 меткой. i=1
3) k=2, и помечаем узел 2 меткой. i=2 и возвращаемся к 2)
3") k=3 и. Помечаем узел 3 меткой. i=3 и возвращаемся к 2)
2») (так как) переходим к 4)
4) метка узла 3 показывает номер предшествующего узла. На этой итерации узел 3 в дальнейшем во внимание не принимается, его метку вычеркиваем. и возвращаемся к 2)
2""") (так как узел 3 удален из возможного сквозного пути)
3""") и. Помечаем узел 5 меткой. Получен сквозной путь. Переходим к 5)
5) и. Вычисляем остаточные пропускные способности вдоль пути:
Итерация 4. на этой итерации получен путь с
Итерация 5. на этой итерации получен путь с
Итерация 6. новые сквозные пути невозможны, поскольку все ребра, исходящие из узла 1, имеют нулевые остаточные пропускные способности. Переходим к 6) для определения решения
6) максимальный объем потока в сети равен единиц.
Значения потоков по различным ребрам вычисляются путем вычитания последних значений остаточных пропускных способностей из первоначальных значений пропускных способностей.
Результаты вычислений: табл. 1
|
Величина потока |
направление |
||
|
(20,0) - (0,20)=(20, - 20) |
|||
|
(30,0) - (0,30)=(30, - 30) |
|||
|
(10,0) - (0,10)=(10, - 10) |
|||
|
(40,0) - (40,0)=(0,0) |
|||
|
(30,0) - (10,20)=(20, - 20) |
|||
|
(10,5) - (0,15)=(10, - 10) |
|||
|
(20,0) - (0,20)=(20, - 20) |
|||
|
(20,0) - (0,20)=(20, - 20) |
Графическое последовательное выполнение алгоритма нахождения максимального потока (пример 1)
д) е) Сквозных путей нет
Рис.
Исходные данные о транспортной системе, например, внутризаводской, приведенные на рис. 2, можно также задать таблицей (табл. 2).
Табл.2. Исходные данные к задаче о максимальном потоке
Очевидно, максимальная пропускная способность транспортной системы не превышает 6, поскольку не более 6 единиц грузов можно направить из начального пункта 0, а именно, 2 единицы в пункт 1, 3 единицы в пункт 2 и 1 единицу в пункт 3. Далее надо добиться, чтобы все 6 вышедших из пункта 0 единиц груза достигли конечного пункта 4. Очевидно, 2 единицы груза, пришедшие в пункт 1, можно непосредственно направить в пункт 4. Пришедшие в пункт 2 грузы придется разделить: 2 единицы сразу направить в пункт 4, а 1 единицу - в промежуточный пункт 3 (из-за ограниченной пропускной способности участка между пунктами 2 и 4). В пункт 3 доставлены такие грузы: 1 единица из пункта 0 и 1 единица из пункта 3. Их направляем в пункт 4. Итак, максимальная пропускная способность рассматриваемой транспортной системы - 6 единиц груза. При этом не используются внутренние участки (ветки) между пунктами 1 и 2, а также между пунктами 1 и 3. Не догружена ветка между пунктами 1 и 4 - по ней направлены 2 единицы груза при пропускной способности в 3 единицы. Решение можно представить в виде таблицы (табл. 3)
Табл.3. Решение задачи о максимальном потоке
|
Пункт отправления |
Пункт назначения |
План перевозок |
Пропускная способность |
Задача линейного программирования при максимизации потока. Дадим формулировку задачи о максимальном потоке в терминах линейного программирования. Пусть Х KM - объем перевозок из пункта К в пункт М. Согласно рис. 2 К = 0,1,2,3, М = 1,2,3,4, причем перевозки возможны лишь в пункт с большим номером. Значит, всего имеется 9 переменных Х KM, а именно, Х 01, Х 02, Х 03, Х 12, Х 13, Х 14, Х 23, Х 24, Х 34. Задача линейного программирования, нацеленная на максимизацию потока, имеет вид:
Х 01 + Х 02 + Х 03 = F (0)
Х 01 + Х 12 + Х 13 + Х 14 = 0 (1)
Х 02 - Х 12 + Х 23 + Х 24 = 0 (2)
Х 03 - Х 13 - Х 23 + Х 34 = 0 (3)
Х 14 - Х 24 - Х 34 = - F (4)
Х КМ? 0, К, М = 0, 1, 2, 3, 4
Здесь F - целевая функция, условие (0) описывает вхождение грузов в транспортную систему. Условия (1) - (3) задают балансовые соотношения для узлов 1- 3 системы. Другими словами, для каждого из внутренних узлов входящий поток грузов равен выходящему потоку, грузы не скапливаются внутри и системы и не «рождаются» в ней. Условие (4) - это условие «выхода» грузов из системы. Вместе с условием (0) оно составляет балансовое соотношение для системы в целом («вход» равен «выходу»). Следующие девять неравенств задают ограничения на пропускную способность отдельных «веток» транспортной системы. Затем указана неотрицательность объемов перевозок и целевой функции. Ясно, что последнее неравенство вытекает из вида целевой функции (соотношения (0) или (4)) и неотрицательности объемов перевозок. Однако последнее неравенство несет некоторую общую информацию - через систему может быть пропущен либо положительный объем грузов, либо нулевой (например, если внутри системы происходит движение по кругу), но не отрицательный (он не имеет экономического смысла, но формальная математическая модель об этом «не знает»).
Это пособие предназначено для студентов, изучающих курс дискретной математики и (или) теории графов. С его помощью Вы освоите тему "Максимальный поток и минимальный разрез в сети". Прямо из этого пособия Вы можете посчитать своё ИДЗ, даже если у Вас нет на компьютере MATLAB. Если же у Вас есть MATLAB, перейдите на эту страницу : там у Вас есть возможность вмешаться в сценарий (программу) вычислений. Здесь же задача о максимальном потоке в сети решается путём сведения к задаче линейного программирования.
Введём обозначения:
- n =|V | − размер графа (количество вершин);
- m =|E | − мощность графа (количество рёбер);
- A − матрица инцидентности орграфа сети размером n ×m ; каждый её элемент a ik =1, если из i -й вершины выходит k -я дуга; a ik =−1, если в i -ю вершину входит k -я дуга; и a ik =0 в остальных случаях; в каждом столбце такой матрицы ровно одна единица, одна минус единица, а остальные нули;
- s − номер вершины-источника сети; из этой вершины должны только выходить дуги, и любая другая вершина должна быть достижима из источника;
- t − номер вершины-стока сети; в эту вершину должны только входить дуги, и из любой другой вершины должен быть достижим сток;
- a s − s A ; в ней должны быть только единицы, т.к. из источника должны только выходить дуги;
- a t − t -я строка матрицы инцидентности орграфа сети A ; в ней должны быть только минус единицы, т.к. в сток должны только входить дуги;
- A st − матрица инцидентности орграфа сети A с выброшенными из неё s -й и t -й строками;
- e − вектор-столбец длины m ; в каждом его элементе e k будет величина потока в k -й дуге;
- c − вектор-столбец длины m ; в каждом его элементе c k ≥0 задаётся пропускная способность k -й дуги.
Тогда задача о максимальном потоке в сети может быть сформулирована как задача линейного программирования:
Максимизируется общий поток, выходящий из источника (1). При этом в любой промежуточной вершине входящий поток равен выходящему (2), а пропускные способности дуг ограничены (3).
Задача, двойственная к задаче о максимальном потоке − это задача о минимальном разрезе. Для построения минимального разреза можно воспользоваться теоремами двойственности. Нужно:
- удалить из орграфа сети все пустые (e k = 0) и насыщенные (e k = c k ) дуги;
- найти компоненты связности оставшегося графа;
- если таких компонент две, то выброшенные дуги дают минимальный разрез;
- если появится больше двух компонент связности, то у орграфа сети есть несколько минимальных разрезов (соответствующая задача линейного программирования вырожденная).
Для вырожденной задачи на данной странице строится первый, ближайщий к источнику минимальный разрез.
Для правильной работы с этой страницей Ваш браузер должен поддерживать сценарии Java Script . Включите их.
Введите исходные данные в находящиеся ниже области ввода. В первой области нужно (точнее, можно) ввести координаты вершин для рисования орграфа сети. Они задаются в виде матрицы n ×2: в первом столбце − x -е координаты, во втором − y -е. Числа можно задавать целые, с десятичной точкой или в экспоненциальной форме. Числа разделяйте пробелами. Общее количество строк в этой области ввода определяет размер орграфа n − количество вершин. Эти исходные данные (координаты вершин) не являются обязательными: если их не задать, то орграф сети будет рисоваться в виде правильного n -угольника, а количество вершин будет определяться максимальным номером вершины в следующей области ввода.
В следующей области ввода левая часть − обязательная для заполнения. В ней определяется структура орграфа сети. Каждая дуга в орграфе соединяет две вершины. Номера этих вершин задаются в виде матрицы m ×2 в левой части второй области ввода. На каждой строке вначале задаётся 1-я вершина (хвост, источник) дуги, а затем через пробел 2-я (остриё, сток) дуги. В этих столбцах должны быть натуральные числа от 1 до n включительно. Числа разделяйте пробелами. В правой части задаются пропускные способности дуг − положительные действительные числа. Если этот столбец не задан, все пропускные способности считаются одинаковыми (единичными). Общее количество чисел в каждом из этих столбцов определяет мощность орграфа m − количество дуг.
Посчитать Крайний случай: если матрица вся одного цвета - ответ 0.
Добавим фиктивные исток и сток. От истока ко всем белым вершинам проведем ребра, весом в B (цена перекраски в черный). От черных вершин ко стоку проведем ребра, весом в W (цена перекраски в белый). И между всеми соседними вершинами (будь они одного или разных цветов) - ставим ребро весом в G (серая линия). Величина максимального потока будет ответом на задачу.
Источник: Всеукраинская школьная олимпиада по информатике, 2007, День 1
Решение
Все, что нам надо - это разделить каждую вершину на две, и между ними поставить ребро, весом в ограничение пропускной способности данной вершиныРешение
В классической задаче о минимальном разрезе удалять нужно ребра. Не проблема! Разобьем вершины на 2, и поставим между ними ребро, весом в 1. Тогда ответ к задаче - нахождение минимального разреза в графе (что и есть максимальным потоком).Источник: Харьковская зимняя школа по программированию, 2009, День 3
После перехода по автомату из i в j по ребру k, стираются все переходы из i по ребру k, а также все переходы в j по ребру k. Требуется вывести количество путей из A в B по такому автомату.
Решение
Задача сводится к нахождению максимального количества путей, причем из одной вершины не выходят более одного ребра одного цвета. Сведем задачу к нахождения максимального потока. Для каждой вершин создадим k+1 вершину в перестроенной сети. Первая вершина будет входом, остальные вершины будут представлять цвета. Из вершины входа проведем по ребру пропускной способностью 1 в каждую из k вершин, соответствующих цвету. Из вершины соответствующих цвету i проведем все ребра цвета i во входы концов ребер. Найдя максимальный поток в такой сети, получим максимальное количество путей удовлетворяющих требуемому свойству.Решение
Построим сеть. Создадим для каждого типа монет по одной вершине. Эти вершины будут соответствовать Вашим монетам. Нужно собрать как можно больше уникальных монет, поэтому проведем ребро пропускной способности 1 в сток из каждой такой вершины. В вершины, соответствующие монетам, которые у Вас есть изначально, проведем ребро, пропускная способность которого равна количеству таких монет у Вас.Для каждого члена клуба (кроме 1, тоесть Вас) заведем по одной вершине. Эта вершина может принимать не более одной монеты, которой у него нет и отдавать
не более k-1 монеты, которых у него k (k > 1). Естественно, член клуба отдает одну монету взамен одной полученной.
Таким образом, в каждую такую вершину нужно провести ребро пропускной способности 1 из вершин соответствующих монетам, которых нет у этого члена клуба. А из этих вершин нужно провести ребра пропускной способностью k i - 1 в вершину i, соответствующую монетам, которых у члена клуба больше одной.
Построенная сеть отражает процессы обмена в клубе. Максимальный поток в такой сети будет равен максимальному количеству монет, которые могуть быть собраны Вами.
Источник: Харьковская зимняя школа по программированию, 2009, День 4
Дано описание системы охлаждения. Нужно выяснить, каким образом можно пустить жидкость по трубам, чтобы выполнялись все указанные условия.
Решение
Это задача на нахождение циркуляции в сети с заданными нижними ограничениями на ребра. Если по ребру (u, v) должен проходить поток в отрезке , то в перестроенной сети будет три ребра (откуда, куда, вес): (u, v, r - l), (S, v, l), (u, T, l). S, T - дополнительно введенные сток и исток соответственно. Фактически мы пропускаем по ребру необходимый минимальный поток, после чего балансируем его так, чтобы получить циркуляцию.Потоки в сетях
Задача о максимальном потоке
Пусть задана сеть, состоящая из множества вершин Е и множества дуг, соединяющих некоторые упорядоченные пары вершин, взятых из Е. Будем предполагать, что она является симметрическим графом, т. е. если дуга () входит в сеть, то в нее входит и симметричная дуга (), хотя реально такой дуги может и не быть. Для определенности присвоим вершинам сети следующие номера: . Каждая вершина характеризуется интенсивностью . Вершины, для которых , назовем источниками, вершины, для которых , - стоками, а остальные - промежуточными. По путям сети направляются некоторые потоки - однородное вещество (газ, жидкость) или транспорт - из источников в стоки. Каждой дуге () сети поставлено в соответствие число , называемое пропускной способностью дуги. Под пропускной способностью дуги понимается максимальный поток, который она может пропустить за единицу времени. Пусть , и для остальных вершин, тогда - единственный источник, - единственный сток, а - промежуточные вершины сети.
Ставится задача определить для заданной сети максимальную величину потока из источника в сток . Под потоком в сети из источника в сток будем понимать совокупность потоков {} по всем дугам сети, где - поток по дуге (), 
, равный количеству перемещаемой по ней субстанции в единицу времени. Математически задача о максимальном потоке формулируется следующим образом: найти неотрицательные значения для всех , максимизирующие
(3.9)
при ограничениях:
(3.11)
Условие (3.9) отражает величину максимального потока, который равен количеству вещества, вытекающего из источника, или притекающего в сток. Условия (3.10) означают, что поток по каждой дуге должен быть неотрицательным и не превышать ее пропускной способности; из условия (3.11) следует, что количество вещества, притекающего в любую промежуточную вершину, равно количеству вещества, вытекающего из нее.
До сих пор мы рассматривали сети с единственным источником и стоком. На практике, однако, число источников и стоков может быть произвольным. Покажем, что с помощью незначительных изменений топологии задачи такого типа могут быть сведены к уже рассмотренным.
Проиллюстрируем это на примере.
Рассмотрим сеть, состоящую из трех источников и двух стоков (Рис. 3.10). Пусть, для определенности, данная сеть описывает следующую задачу.
Места добычи нефти расположены в географических пунктах . Из мест добычи нефть транспортируется на нефтеперерабатывающие заводы через некоторые промежуточные пункты . Совокупность пунктов с соединяющими их транспортными магистралями изобразим в виде сети на Рис. 3.10, дуги соответствуют транспортным магистралям, а вершины - отдельным пунктам (местам добычи, заводам, станциям перекачки или железнодорожным станциям). Пропускные способности транспортных магистралей приписаны дугам сети. Чтобы определить, какое максимальное количество нефти можно транспортировать из мест добычи на нефтеперерабатывающие заводы, необходимо расширить сеть, добавив один фиктивный источник и один фиктивный сток (фиктивные дуги на рисунке нанесены штриховыми линиями).
Очевидно, что величину потока как в исходной сети, так и в расширенной сети определяют пропускные способности дуг исходной сети. Таким образом, задача о максимальном потоке из множества источников во множество стоков равносильна задаче о максимальном потоке из единственного источника в единственный сток.
Рис. 3.10. Введение фиктивного источника и стока
Пример 3.
Приведем пример решения задачи о максимальном потоке в Excel. Рассмотрим некоторую транспортную сеть (Рис. 3.11.). Предположим также, что транспортные потоки могут идти в обоих направлениях некоторых дуг (очевидно, данный случай является более общим и сложным для решения, чем случай односторонних транспортных потоков). На рисунке обозначены максимальные пропускные способности в обоих направлениях: например из пункта 3 в пункт 6 может быть транспортирован поток интенсивностью 4 единицы, и такой же поток – из пункта 6 в пункт 3 (нули у окончаний некоторых дуг означают невозможность транспортировки в соответствующем направлении). Требуется определить максимальную пропускную способность сети в целом, т.е. максимальное значение потока .
Рис. 3.11. Сетевой график примера 3.
Решение.
Так как предполагается, что для каждого промежуточного узла сети полный входящий поток должен быть равен полному выходящему потоку, то задача может быть сформулирована следующим образом:
Максимизировать при ограничениях:
Введем данные на рабочий лист в соответствии с Рис. 3.12.
Рис. 3.12. Данные для решения задачи о максимальном потоке
Диапазон ячеек A6:Q6 отведем под расчетные значения переменных. В ячейки A8:A14, а также в целевую ячейку F13 введем следующие формулы
| C6+D6+I6-E6-H6-J6 |
|
| G6+N6+H6+K6-L6-I6-M6-P6 |
|
| F13 (целевая) |
После запуска Поиска решения введем следующие ограничения:
В окне диалога Поиска решения в для диапазона изменяемых ячеек укажем A6:Q6.
В результате решения получим ответ: ; потоки в дугах представлены ниже
| Пункты (узлы) | Пункты (узлы) | ||
Следует отметить, что данная задача имеет неединственное оптимальное решение, то есть при максимальном потоке в 17 единиц может иметь место различное распределение потоков по дугам.