KM算法

KM算法求的是完備匹配下的最大權匹配: 在一個二分圖內,左頂點為X,右頂點為Y,現對於每組左右連線XiYj有權wij,求一種匹配使得所有wij的和最大。也就說,它原來不屬於相等子圖,現在可能進入了相等子圖,因而使相等子圖得到了擴大。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。匈牙利算法解題是極為簡單的,但是圖論的難並不是難在解答,而是建圖的過程,也難怪會有牛曰:用匈牙利算法,建圖是痛苦的,最後是快樂的。

解決思路

基本原理

該算法是通過給每個頂點一個標號(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Yj的頂標為B[ j ],頂點Xi與Yj之間的邊權為w[i,j]。在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。

KM算法的正確性基於以下定理:

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,那么這個完備匹配就是二分圖的最大權匹配。

首先解釋下什麼是完備匹配,所謂的完備匹配就是在二部圖中,X點集中的所有點都有對應的匹配且Y點集中所有的點都有對應的匹配,則稱該匹配為完備匹配。

這個定理是顯然的。因為對於二分圖的任意一個匹配,如果它包含於相等子圖,那么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,那么它的邊權和小於所有頂點的頂標和。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。

我們求當前相等子圖的完備匹配失敗了,是因為對於某個X頂點,我們找不到一條從它出發的交錯路。這時我們獲得了一棵交錯樹,它的葉子結點全部是X頂點。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一個值d,那么我們會發現:

1)兩端都在交錯樹中的邊(i,j),A[ i ]+B[j]的值沒有變化。也就是說,它原來屬於相等子圖,現在仍屬於相等子圖。

2)兩端都不在交錯樹中的邊(i,j),A[ i ]和B[j]都沒有變化。也就是說,它原來屬於(或不屬於)相等子圖,現在仍屬於(或不屬於)相等子圖。

3)X端不在交錯樹中,Y端在交錯樹中的邊(i,j),它的A[ i ]+B[j]的值有所增大。它原來不屬於相等子圖,現在仍不屬於相等子圖。

4)X端在交錯樹中,Y端不在交錯樹中的邊(i,j),它的A[ i ]+B[j]的值有所減小。也就說,它原來不屬於相等子圖,現在可能進入了相等子圖,因而使相等子圖得到了擴大。

5)到最後,X端每個點至少有一條線連著,Y端每個點有一條線連著,說明最後補充完的相等子圖一定有完備匹配。(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,那么這個完備匹配就是二分圖的最大權匹配。)

現在的問題就是求d值了。為了使A[ i ]+B[j]>=w[i,j]始終成立,且至少有一條邊進入相等子圖,d應該等於:

Min{A[ i ]+B[j]-w[i,j] | Xi在交錯樹中,Yi不在交錯樹中}。

改進

以上就是KM算法的基本思路。但是樸素的實現方法,時間複雜度為O(n^4)——需要找O(n)次增廣路,每次增廣最多需要修改O(n)次頂標,每次修改頂標時由於要枚舉邊來求d值,複雜度為O(n^2)。實際上KM算法的複雜度是可以做到O(n^3)的。我們給每個Y頂點一個“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。

Kuhn-Munkras算法流程:

(1)初始化可行頂標的值;

(2)用匈牙利算法尋找完備匹配;

(3)若未找到完備匹配則修改可行頂標的值;

(4)重複(2)(3)直到找到相等子圖的完備匹配為止;

C代碼

KM算法和最大匹配(匈牙利算法)

2010.7.18

匈牙利算法的分析與運用:

匈牙利算法的精髓在於USED哈希數組的使用,下面是匈牙利算法的主要模組:

在原程式進行調用是也就是簡簡單單的一句話:

for i:=1 to n do begin fillchar(used,sizeof(used),0); if find(i) then inc(all); end;

注意

每一次找匹配時USED都是清0的,這是為了記錄什麼可以找,什麼不可以找,說白了,這個模組就是一個遞歸的過程,USED的套用就是為了限制遞歸過程中的尋找範圍,從而達到“不好則換,換則最好”,這裡的最好是“新換”中最好的。

匈牙利算法解題是極為簡單的,但是圖論的難並不是難在解答,而是建圖的過程,也難怪會有牛曰:用匈牙利算法,建圖是痛苦的,最後是快樂的。當然,我們這些◎#!◎◎也只能搞搞NOIP了,一般不會太難,所以此算法,極為好用。

KM算法:

最大流的KM算法,又算的上算法世界中的一朵奇葩了。

解決最大流問題可以使用“網路流”,但較為繁瑣,沒有KM來得痛快,

下面是KM算法的核心模組:

可以見出,該模組與匈牙利算法極為相似,差別便是:

if not vy[y] and (lx[x]+ly[y]=w[x,y])判斷語句了,這裡涉及到KM算法的思想,不再贅述,請自行“擺渡”之。

但是在源程式的調用過程更是煩雜:

總結起來便是:有機會就上,沒有機會創造機會也要上!

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