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最大流问题

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最大流问题的求解方法及应用

最大流问题的求解方法及应用

最大流问题的求解方法及应用
最大流问题，是指在一个有向图中，从源点 s 到汇点 t 的最大
流量。

在实际应用中，最大流问题往往用于描述网络传输、油管输送等流量分配问题。

求解最大流问题的方法包括以下几种：
1. 网络流算法：这是一种基于图论和线性规划的算法。

通过构建网络流图，将最大流问题转化为最小割问题，再利用线性规划求解最小割问题的对偶问题来求解最大流问题。

2. 增广路算法：这是一种经典的最大流算法，其基本思想是不断找到增广路径，即从源点 s 到汇点 t 的一条路径，沿途边权
均有剩余容量，使得该路径上的边的剩余容量中的最小值最大化，最终得到最大流。

3. 矩阵树定理：这是一种基于图论和矩阵运算的算法，适用于有向图和无向图。

通过计算图的拉普拉斯矩阵的行列式等方法，求得图的生成树个数，从而计算最大流。

4. Dinic算法：是对增广路算法的改进。

在增广路算法中，每
次查找增广路径的过程需要遍历整个图，为了提高效率，
Dinic算法引入了分层图的概念，将图分层之后只在图的一层
中查找增广路径，最终求得最大流。

这些方法在实际应用中常常被用来解决路由选择、网络流量优化、模拟电路分析等问题。

例如，最大流可以被用来优化数据传输、流水线设计、流量管道的运营和管理，提高资源利用率和数据传输速度。

最大流问题解题步骤

最大流问题解题步骤

最大流问题解题步骤一、什么是最大流问题？最大流问题是指在一个有向图中，给定源点和汇点，每条边都有一个容量限制，求从源点到汇点的最大流量。

该问题可以用于网络传输、电力调度等实际应用中。

二、最大流问题的解法1. 增广路算法增广路算法是最基本的解决最大流问题的方法。

其基本思想是不断地寻找增广路，并将其上的流量加入到原来的流中，直到不存在增广路为止。

具体步骤如下：（1）初始化网络中各边上的流量均为0；（2）在残留网络中寻找增广路；（3）如果存在增广路，则将其上的最小剩余容量作为增量加入到原来的流中；（4）重复步骤2和步骤3，直到不存在增广路。

2. Dinic算法Dinic算法是一种改进型的增广路算法，其核心思想是通过层次分析和分层图来减少搜索次数，进而提高效率。

具体步骤如下：（1）构建分层图；（2）在分层图上进行BFS搜索寻找增广路径；（3）计算路径上可行流量并更新残留网络；（4）重复步骤2和步骤3，直到不存在增广路。

3. Ford-Fulkerson算法Ford-Fulkerson算法是一种基于增广路的算法，其核心思想是不断地寻找增广路，并将其上的流量加入到原来的流中，直到不存在增广路为止。

具体步骤如下：（1）初始化网络中各边上的流量均为0；（2）在残留网络中寻找增广路；（3）如果存在增广路，则将其上的最小剩余容量作为增量加入到原来的流中；（4）重复步骤2和步骤3，直到不存在增广路。

三、最大流问题解题步骤1. 确定源点和汇点首先需要确定问题中的源点和汇点，这是解决最大流问题的前提条件。

2. 构建残留网络在有向图中，每条边都有一个容量限制。

我们可以将这些边看作管道，容量看作管道的宽度。

在实际传输过程中，某些管道可能已经被占用了一部分宽度。

因此，在求解最大流问题时，需要构建一个残留网络来表示哪些管道还能够继续传输数据。

具体方法是：对于每条边(u,v)，分别构造两条边(u,v)和(v,u)，容量分别为c(u,v)-f(u,v)和f(u,v)，其中c(u,v)表示边的容量，f(u,v)表示当前流量。

最大流常见算法

最大流常见算法

最大流常见算法最大流问题是图论中的一个重要问题，其求解方法有多种，本文将介绍最常见的几种算法。

一、最大流问题简介最大流问题是在一个网络中寻找从源点到汇点的最大流量的问题。

网络是由一些节点和连接这些节点的边构成的，每条边都有一个容量，表示该边所能承载的最大流量。

源点是流量的起点，汇点是流量的终点。

在网络中，还可能存在其他节点和边。

二、Ford-Fulkerson算法Ford-Fulkerson算法是最早用于解决最大流问题的算法之一。

该算法基于增广路径来不断增加流量，直到无法再找到增广路径为止。

1. 算法步骤（1）初始化：将所有边上的流量设为0。

（2）寻找增广路径：从源点开始进行深度优先或广度优先搜索，在搜索过程中只选择剩余容量不为0且没有被标记过的边，并记录路径上容量最小值min。

（3）更新路径上各个边上的流量：将路径上各个边上的流量加上min。

（4）返回第二步，直到无法找到增广路径为止。

2. 算法分析Ford-Fulkerson算法可以保证在有限步内求解出最大流，但是其时间复杂度与增广路径的选择有关，最坏情况下可能需要指数级的时间复杂度。

三、Edmonds-Karp算法Edmonds-Karp算法是基于Ford-Fulkerson算法的一种改进算法。

该算法使用BFS来寻找增广路径，可以保证在多项式时间内求解出最大流。

1. 算法步骤（1）初始化：将所有边上的流量设为0。

（2）寻找增广路径：从源点开始进行BFS，在搜索过程中只选择剩余容量不为0且没有被标记过的边，并记录路径上容量最小值min。

（3）更新路径上各个边上的流量：将路径上各个边上的流量加上min。

（4）返回第二步，直到无法找到增广路径为止。

2. 算法分析Edmonds-Karp算法相对于Ford-Fulkerson算法来说，在同样的网络中，其时间复杂度更低，可以保证在O(VE^2)的时间内求解出最大流。

但是在某些特殊情况下仍然可能需要指数级时间复杂度。

5-4 最 大 流 问题

5-4 最 大 流 问题

(2)标号过程 标号过程
给起点v 标上标号（ ， 1给起点 s标上标号（-，+∞）； ）； （表示 s是源点（起点），能够得到任意多的量。 表示v 是源点（起点），能够得到任意多的量。 ），能够得到任意多的量 表示 vs称为已标记的点。让S表示已标记点的集合 S 表示 称为已标记的点。 表示已标记点的集合， 表示已标记点的集合 未标记点的集合， 未标记点的集合 VS ∈ S ） 2考察起点的所有相邻未标号点： 考察起点的所有相邻未标号 所有相邻未标号点 若存在以S中的点为起点， 若存在以 中的点为起点，以 S 中的点为终点的非饱 中的点为起点 [vi+ , ε j ] ，否则不加标记。 和弧（ 否则不加标记。 和弧（vi,vj）则vj可标记为
从S出发到 S 终止的所有边的集合即割集。 终止的所有边的集合即割集。
v2
e1
e3 e6
v4
e8
v1
e2
e4 e7
v6
e5
v3
v5
e9
不包括从 S 出发到S终 止的边!
4、弧的分类
（1）在可行流X={xij}中，按流量的特征 在可行流X 分有： 分有： ①饱和弧——xij=bij 饱和弧 ②非饱和弧——xij<bij 非饱和弧 ③零流弧——xij=0 零流弧 ④非零流弧——xij>0 非零流弧
顶点3的标记化 顶点 的标记化: 的标记化 ∵ x s 3 = bs 3 ， 但
正向饱和 弧 ∴不能从v 不能从
得到标记； 标记 s得到标记；
x
32
得到标记 标记。 > 0，故可从v2得到标记。
反向非零流
于是
ε ε3 = min { 2 , x 32 } = min {6 , 4 } = 4

8.4 网络最大流问题

8.4 网络最大流问题

所有指向为vs→vt的弧，称为前向弧，记作μ +；
所有指向为vt →vs的弧，称为后向弧，记做μ
－，
增广链：设 f 是一个可行流，μ是从vs 到 vt 的一条链，若μ满 足下列条件，称之为(关于可行流 f 的)增广链。
1)在(vi , vj)∈μ+上，0≤fij＜cij，即μ+中的弧都是非饱和弧。
2)在(vi，vj)∈μ-上，0＜fij≤cij，即μ-中的弧都是非零流弧。
§8.4 网络最大流问题
Page 22
(3) 检查与v3点相邻的未标号的点，因f3t<c3t，故对vt 标 l(vt)=min{l(v3), c3t-f3t } =min{1, 1}= 1 找到一条增广链 vs→v1→v2 →v3 →vt ( v , 1) 2 (-v v12, 1) (4,3) v4 (3,3) (5,3) (1,1) (1,1) (3,0)
v ( f ) f s1 f s 2 f 4 t f 3 t 5
§8.4 网络最大流问题
Page 25
例8.10 用标号算法求下图中vs→vt的最大流量，并找出最小 截。 v1 9(3) v3 8(7)
5(4) 5(4)
2(0)
vs
7(5)
6(1)
●
vt
10(8) v2 9(9) v4
§8.4 网络最大流问题
基本方法： (1)找出第一个可行流（例如所有弧的流量fij =0）；
Page 14
(2)用标号的方法找一条增广链：
首先给发点vs标号(0,+∞),第一个数字表示标号从哪一点得到；
第二个数字表示允许的最大调整量。
选择一个点 vi 已标号且另一端未标号的弧沿着某条链向收

运筹学最大流问题例题

运筹学最大流问题例题

运筹学最大流问题例题摘要：一、运筹学最大流问题的基本概念二、最大流问题的求解方法三、最大流问题例题详解四、总结与展望正文：一、运筹学最大流问题的基本概念运筹学最大流问题是一种在网络中寻找最大流量的问题。

给定一个有向图G(V,E)，其中仅有一个点的入次为零称为发点（源），记为vs；仅有一个点的出次为零称为收点（汇），记为vt；其余点称为中间点。

对于G 中的每一条边(vi,vj)，相应地给一个数cji（cji 0），称为边(vi,vj) 的容量。

最大流问题的目标是找到从源点到汇点的最大流量。

二、最大流问题的求解方法求解最大流问题的方法主要有两种：一种是基于图论的方法，如Ford-Fulkerson 算法；另一种是基于线性规划的方法，如Maximum Flow Problem with Linear Programming。

1.Ford-Fulkerson 算法Ford-Fulkerson 算法是一种基于图论的贪心算法，用于求解最大流问题。

它通过不断寻找增广链并扩充流量来逐步改进解，直至找不到增广链为止。

算法步骤如下：(1) 初始化流量为零；(2) 对于所有中间点i，找到所有出边(i,j) 中容量最大的边，将流量沿该边增加到最大容量；(3) 重复步骤(2)，直至找不到增广链；(4) 得到的流量即为最大流量。

2.Maximum Flow Problem with Linear ProgrammingMaximum Flow Problem with Linear Programming 是一种基于线性规划的方法，用于求解最大流问题。

它将最大流问题转化为线性规划问题，并采用线性规划求解器求解。

具体步骤如下：(1) 将有向图G 转换为网络；(2) 设定变量：设置容量变量cji 和流量变量fij；(3) 建立目标函数：目标是求解最大流量，即求max {∑fij}；(4) 建立约束条件：流量平衡约束、容量约束和流量非负约束；(5) 采用线性规划求解器求解线性规划问题，得到最大流量。

运筹学第7章 最大流问题(精简)


对最大流问题有下列定理：
定理1 容量网络中任一可行流的流量 不超过其任一割集的容量。
定理2（最大流-最小割定理）任一容 量网络中，最大流的流量等于最小割集 的割量。
推论1 可行流f*＝{fij*}是最大流，当且 仅当G中不存在关于f.*的增广链。
求最大流的标号法
标号法思想是：先找一个可行流。 对于一个可行流，经过标号过程得到 从发点vs到收点vt的增广链；经过调整 过程沿增广链增加可行流的流量，得 新的可行流。重复这一过程，直到可 行流无增广链，得到最大流。
.
标号过程:
(1)给vs标号(,+∞)，vs成为已标号未检查的点，其 余都是未标号点。
(2)取一个已标号未检查的点vi，对一切未标号点vj： 若有非饱和边(vi,vj)，则vj标号(vi,l(vj))，其中l(vj)＝ min[l(vi),cij – fij]，vj成为已标号未检查的点；若有非 零边(vj,vi)，则vj标号(-vi,l(vj))，其中l(vj)＝min[l(vi), fji]， vj成为已标号未检查的点。vi成为已标号已检查的点 。
最大流问题
.
基本概念
v2 3
4
v4
5
vs
1
1
3
vt
5
2
v1
2
v3
给定一个有向图G＝(V,E)，其中仅有一个点的入次
为零称为发点（源），记为vs，仅有一个点的出次为零 称为收点（汇），记为vt，其余点称为中间点。
对于G中的每一条边(vi,vj)，相应地给一个数cij （cij≥0），称为边(vi,vj)的容量。我们把这样的网络 G称为容量网络 ，记为G＝(V,E,C)。
但利用它与图的密切关系，可以利用图直观简便地求 解。

运筹学最大流问题例题

运筹学最大流问题例题摘要：1.运筹学最大流问题简介2.最大流问题的基本概念和方法3.最大流问题的求解步骤4.最大流问题在实际应用中的案例分享5.总结与展望正文：【提纲1：运筹学最大流问题简介】运筹学最大流问题是一种求解网络中最大流量的问题。

在有向图中，有一个发点（源）和一个收点（汇），其他点称为中间点。

给定每条边的容量，我们需要找到一条从发点到收点的路径，使得这条路径上的流量最大。

最大流问题在物流、交通、通信等领域具有广泛的应用。

【提纲2：最大流问题的基本概念和方法】在最大流问题中，我们需要了解以下几个基本概念：1.流量：表示在一条边上流动的单位数量。

2.容量：表示一条边能承受的最大流量。

3.增广链：从发点到收点的路径，路径上的每条边都有剩余容量。

求解最大流问题的基本方法是：1.初始化：将所有边的流量设为0。

2.寻找增广链：在图中寻找一条从发点到收点的路径，使得路径上的每条边都有剩余容量。

3.更新流量：将找到的增广链上的流量增加，同时更新路径上其他边的剩余容量。

4.重复步骤2和3，直到无法再找到增广链。

【提纲3：最大流问题的求解步骤】以下是求解最大流问题的具体步骤：1.构建网络图：根据题目给出的条件，构建有向图。

2.初始化：将所有边的流量设为0，记录发点和收点。

3.寻找增广链：使用深度优先搜索或广度优先搜索等算法，在图中寻找一条从发点到收点的路径。

4.更新流量：找到增广链后，将路径上的流量增加，同时更新路径上其他边的剩余容量。

5.重复步骤3和4，直到无法再找到增广链。

6.输出结果：最大流即为所有增广链上的流量之和。

【提纲4：最大流问题在实际应用中的案例分享】最大流问题在实际应用中具有广泛的价值，例如：1.物流配送：通过最大流问题优化配送路线，降低物流成本。

2.交通规划：通过最大流问题优化交通网络，提高出行效率。

3.通信网络：通过最大流问题优化网络资源分配，提高通信质量。

【提纲5：总结与展望】运筹学最大流问题是一种重要的优化问题，其在实际应用中具有广泛的价值。

运筹学最大流问题

最小割是这些路中的咽喉部分, 其容量最小,
它决定了整个网络的最大通过能力。
四、最大匹配问题
|M |表示集合M中M的边数。
一个图的最大匹配中所含边数是确定的, 但匹配方案可以不同。
定义23 二部图G=(X,Y,E), M是边集E的子集, 若M中的任意
若不存在另一匹配M1, 使得|M1|>|M|, 则称M为最大匹配.
x5
y1x3y2x2y3x1
y4
x4
y5
x5
y1
x3
y2
x2
y3
x1
y4
x4
y5
vs
vt
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
如图，要求设计一个方案，使量多的人能就业。
(1,3)
(2,4)
(4,3)
(1,2)
(3,2)
(3,t)
(2,4)
(3,t)
(4,3)
(4,t)
(1,3)
(3,t)
15
(4,t)
21
17
18
19
24
14
25
15
割
容量
4-3、最大流-最小割定理
定理
定理2 (最大流-最小割定理) 任一网络G中, 从vs 到 vt 的
定义
设 f 为网络G=(V, E, C)的任一可行流, 流量为W ,
未标号点集合为 S = {v1, v2, v4, v5, v6, v7}
割集(S, S )= {(vs, v1), (vs, v2), (v3, v6)}
割集容量
可得到一个最小割. 见图中虚线.

最大流与最小费用流


c67 = 7 − P = 7 - 6 = 1
通过第1次修改，得到图3。
图3 返回步骤①，进行第2次修改。
次修改： 第2次修改 次修改 选定①—②—⑤—⑦，在这条路中，由 于 P = c25 = 3 ，所以，将 c12 改为2 ， 25 改 c 为0，c57 改为5，c 21 、 52 、 75 改为3。修改后 c c 的图变为图4。
x12 + x13 + x14 = x57 + x67 = f
x12 + x32 x + x 23 13 x14 + x34 x + x 35 25 x36 + x 46 = x 23 + x 25 = x32 + x34 + x35 + x36 = x 46 + x65 = x56 + x57 + x56 = x65 + x67
所以取 P = c13 = 6 。
③在路①—③—⑥—⑦中，修改每一 条弧的容量
c13 = 6-P = 6-6 = 0
c36 = 7 − P = 7 - 6 = 1
c31 = 0 + P = 0 + 6 = 6
c63 = 0 + P = 0 + 6 = 6
c76 = 0 + P = 0 + 6 = 6
f = f 0 ≤ f max
（15）
使其代价最小，即
d=
( i , j )∈V
∑d
ij
xij = min
（16）
式中：d ij 指单位车辆数通过弧 (i, j )的代价。
图11 代价条件
图1 约束条件
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最大流问题
基本概念
v2 3 vs 5 v1 2 v3 1 1 4 v4
5
3 2 vt
给定一个有向图G＝(V,E)，其中仅有一个点的入次 为零称为发点（源），记为vs，仅有一个点的出次为 零称为收点（汇），记为vt，其余点称为中间点。 对于G中的每一个弧(vi,vj)，相应地给一个数cij （cij≥0），称为弧(vi,vj)的容量。我们把这样的D称 为网络（或容量网络），记为G＝(V,E,C)。
给定容量网络G＝(V,A,E)，若点集V被剖分 为两个非空集合V1和V2，使 vs∈V1 ，vt∈V2， 则把弧集(V1,V2)称为（分离vs和vt的）割集。
v2
4 1 3 vs 1 v4 5 3 vt
5
v1 2 v3
2
显然，若把某一割集的弧从网络中去掉， 则从vs到vt便不存在路。所以，直观上说，割 集是从vs到vt的必经之路。
可行流是指满足如下条件的流： （1）容量限制条件：对G中每条边(vi,vj), 有
0 f ij cij
（2）平衡条件： 对中间点，有：
f f
ij j k i
ki
对收点vt与发点vs，有： f si f jt W
j
（即中间点vi的物资输入量等于输出量）
（即vs发出的物资总量等于vt接收的物资总量），W是 网络的总流量。
注：有向边也称为弧。
对教材P259定义21的解释
v1 vs v3 vt v2
v4 边集（vs,v1），（v1,v3），（v2,v3），（v3,vt）， （v4,vt）是G的割集。其顶点分别属于两个互补不相交 的点集。去掉这五条边，则图不连通，去掉这五条边中 的任意1-4条，图仍然连通。
割集的容量(简称割量) 最小割集
所谓网络上的流，是指定义在弧集E 上的函数f＝{f(vi,vj)}，并称f(vi,vj)为弧 (vi,vj)上的流量，简记为fij。
v2 3,1 vs 5,2 1,0 v1 1,0 4,1 v4
5,2
3,1 2,1 2,2 v3 vt
标示方式：每条边上标示两个数字，第一个是容量，第二 是流量
可行流、可行流的流量、最大流。
对最大流问题有下列定理： 定理1 容量网络中任一可行流的流量 不超过其任一割集的容量。 定理2（最大流-最小割定理）任一容 量网络中，最大流的流量等于最小割集 的割量。 推论1 可行流f*＝{fij*}是最大流，当且 仅当G中不存在关于f*的增广链。
求最大流的标号法
标号法思想是：先找一个可行流。 对于一个可行流，经过标号过程得到 从发点vs到收点vt的增广链；经过调整 过程沿增广链增加可行流的流量，得 新的可行流。重复这一过程，直到可 行流无增广链，得到最大流。
v2
(-,+∞)
vs
(3,3)
(4,3) (1,1)
(v2,1)
v4 (5,3) (3,0) v3
(1,1)
(v3,1) (-,+∞)
vt vs
(1,0) v1
(3,0) (2,2) v3
(5,1)
(2,1)
(5,2)
(vs,4)
v1
(2,2)
(-v2,1)
(vs,3)
(2,2)
得增广链，标号结束， 进入调整过程
v5
[-v4, 2]
如图已经得到增广链，然后进行调整。
标号过程: (1)给vs标号(-,+∞)，vs成为已标号未检查的点，其 余都是未标号点。 (2)取一个已标号未检查的点vi，对一切未标号点vj： 若有非饱和弧(vi,vj)，则vj标号(vi,l(vj))，其中l(vj)＝ min[l(vi),cij – fij]，vj成为已标号未检查的点；若有非 零弧(vj,vi)，则vj标号(-vi,l(vj))，其中l(vj)＝min[l(vi), fji]， vj成为已标号未检查的点。vi成为已标号已检查的点。 (3)重复步骤(2)，直到vt成为标号点或所有标号点 都检查过。若vt成为标号点，表明得到一条vs到vt的 增广链，转入调整过程；若所有标号点都检查过， 表明这时的可行流就是最大流，算法结束。 调整过程：在增广链上，前向弧流量增加l(vt)，后 向弧流量减少l(vt)。
可行流总是存在的，例如f={0}就是一个流量为0的可 行流。 所谓最大流问题就是在容量网络中寻找流量最大的可 行流。 一个流f={fij}，当fij=cij，则称f对边(vi, vj)是饱和的， 否则称f对边(vi, vj)不饱和。 最大流问题实际上是一个线性规划问题。
但利用它与图的密切关系，可以利用图直观简便地求 解。
无增广链，标号结束，得 最大流。同时得最小截。
下图中已经标示出了一个可行流，求最大流 v2
(4, 0) [-, ∞] vs (1, 0) [vs, 4] [v2, 4]
(4, 0)
v4
(5, 2)
vs
(2, 0)
[v4, 3]
(1, 0)
(3, 2)
(5, 2)
[vs, 3]
v1
(2, 2)
v3
(4, 0)
割集(V1, V2)中所有起点在V1，终点在V2的边的容量 的和称为割集容量。例如下图中所示割集的容量为5
v2 4 1Βιβλιοθήκη 3vs 5 v1 1
v4
5
3 2 v3 vt
2
在容量网络的所有割集中，割集容量最小的割集称为 最小割集（最小割）。
对于可行流f＝{fij}，我们把网络中使fij＝cij的 弧称为饱和弧，使fij<cij的弧称为非饱和弧；把 使fij＝0的弧称为零流弧，使fij>0的弧称为非零 流弧。 若μ 是联结发点 v2 4,1 v4 v 和收点 v 的一条链， 3,1 s t 5,2 1,0 我们规定链的方向是 vs 3,1 1,0 vt 从vs到vt，则链上的 2,1 5,2 v1 2,2 v3 弧被分成两类：前向 弧、后向弧。 设f是一个可行流，μ是从vs到vt的一条链，若μ 满足前向弧都是非饱和弧,后向弧都是都是非零 流弧,则称μ是（可行流f的）一条增广链。
下面用实例说明具体的操作方法：例
v2 (3,3) (4,3) v4 (5,3) (3,0) (2,1) v1 (2,2) v3 vt
vs
(5,1)
(1,1)
(1,1)
在图中给出的可行 流的基础上，求vs 到vt的最大流。
(3,3) v2 (4,3) (1,0) v4 (5,3) vt
(-v1,1)