圖論雜項(xiàng)問題課件.ppt

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1、圖論雜項(xiàng)問題何亮roba269gmail最大閉合子圖閉合子圖(closure)是指,若X在該集合中,則X的后繼結(jié)點(diǎn)也必須在該集合中給定任意有向圖,點(diǎn)上有權(quán)值(可正可負(fù)),求出權(quán)值總和最大的閉合子圖。最大閉合子圖解法:添加源S和匯T,S到所有正權(quán)值的點(diǎn)連邊,容量為該點(diǎn)權(quán)值。所有負(fù)權(quán)值的點(diǎn)到T連邊,容量為該點(diǎn)權(quán)值絕對值。原圖中的邊保留,容量為正無窮。求此圖最小割C,則(正權(quán)值總和-C)即為所求。與S同側(cè)的割集即為選出的閉合子圖中的點(diǎn)(除去S點(diǎn))。最大閉合子圖解釋:割的容量由兩部分組成:(1)未被選入閉合子圖的正權(quán)值點(diǎn)(2)被選入閉合子圖的負(fù)權(quán)值點(diǎn)“閉合”的限制對應(yīng)“割”的定義:若某點(diǎn)屬于S集而它的

2、后繼屬于T集,則割容量為無窮大,不可能出現(xiàn)最大密度子圖給定一個(gè)無向圖,要求它的一個(gè)子圖(點(diǎn)集和邊集都是原圖的子集),使得子圖中邊數(shù)與點(diǎn)數(shù)的比值最大。最大密度子圖涉及比值的問題常見思路——二分答案所謂0-1分?jǐn)?shù)規(guī)劃問題E.g.最優(yōu)比率生成樹,最小平均環(huán)路模型:給定N對數(shù)(ai,bi),要求從中選出一部分來,使得∑a/∑b最小分?jǐn)?shù)規(guī)劃由每對(ai,bi),我們求得一系列新值ai–k*bi?,F(xiàn)在的問題中,從中找出若干個(gè)新值,使得其總和∑(ai-k*bi)最?。ㄟ@是一個(gè)很簡單的問題),也就是∑ai-k∑bi最小。∑ai-k∑bi<0?∑ai/∑bi

3、小了。于是可以縮小二分的范圍,直至找到恰好等于0的解。[注意精度]分?jǐn)?shù)規(guī)劃最優(yōu)比率生成樹每邊有兩權(quán)值(a,b),求∑a/∑b最小的生成樹邊權(quán)變?yōu)閍-k*b后求MST,看是否<0最小平均環(huán)路每邊有兩權(quán)值(a,b),在圖中找一個(gè)環(huán),使得環(huán)上所有的∑a/∑b最小邊權(quán)變成a-k*b后,Bellman-ford(SPFA)找負(fù)環(huán)最大密度子圖回到原題,密度定義

4、E

5、/

6、V

7、=k假設(shè)答案為k,則要求解的問題是:選出一個(gè)合適的點(diǎn)集V和邊集E,令(

8、E

9、-k*

10、V

11、)取得最大值所謂“合適”是指滿足如下限制:若選擇某條邊,則必選擇其兩端點(diǎn)最大密度子圖以原圖的邊作為左側(cè)頂點(diǎn),則原圖的點(diǎn)作為右側(cè)頂點(diǎn)。左側(cè)點(diǎn)有正權(quán)值+

12、1,右側(cè)點(diǎn)有負(fù)權(quán)值-k若原圖中存在邊(u,v),則新圖中添加兩條邊([uv]?u),([uv]?v)最大權(quán)閉合子圖!最大密度子圖新圖中點(diǎn)數(shù)為m+n,不太理想。能否只用原圖中的點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)?最大密度子圖如上圖,要統(tǒng)計(jì)的邊為點(diǎn)集關(guān)聯(lián)的所有邊除去紅色的邊可發(fā)現(xiàn)紅色的邊恰為一個(gè)割Max{

13、E

14、-k*

15、V

16、}?-Min{k*

17、V

18、-

19、E

20、}

21、E

22、=(

23、V

24、中點(diǎn)度數(shù)之和–(

25、V

26、與

27、V

28、的補(bǔ)之割))/2最大密度子圖

29、E

30、=V中點(diǎn)度數(shù)之和–(V與V的補(bǔ)之割))/2=(∑v∈Vdv–c[V,V’])/2為便于計(jì)算,擴(kuò)大2倍,化簡得最大密度子圖選出一個(gè)點(diǎn)集V,里面每選一個(gè)點(diǎn)v的花費(fèi)是2k-dv,這部分花費(fèi)再加上V

31、和它的補(bǔ)集之前的割,要求總和最小能否把這個(gè)總和計(jì)入一個(gè)割里?最大密度子圖把原圖的無向邊變成雙向的有向邊(注:此處沒有必要拆點(diǎn)),容量為1。添加S,T。添加從S到每個(gè)點(diǎn)的邊,容量為0(why?)。對每個(gè)點(diǎn)添加指向T的邊,容量為2k-dv,求此網(wǎng)絡(luò)的最小割。注意:邊權(quán)為負(fù)怎么辦?最大密度子圖對于此題,處理方法很簡單,對每條從S發(fā)出和指向T的邊,都增加一個(gè)足夠大的值U,使得所有邊權(quán)非負(fù)。此時(shí)總的最大流值增加U*n。設(shè)上述最大流(最小割)為C,則判斷C-U*n的正負(fù)情況,即可決定開始猜測的k是偏大還是偏小。最大密度子圖凸費(fèi)用流問題凸函數(shù):函數(shù)的曲線始終在其切線上方f(y)>=f(x)+f’(x)(y-

32、x)例如y=x^2(x>0)凸費(fèi)用流問題是指,費(fèi)用與流量成凸函數(shù)關(guān)系(而不是經(jīng)典的線性關(guān)系)凸費(fèi)用流問題因?yàn)榱髁砍O薅檎麛?shù),故費(fèi)用函數(shù)可看作“分段”為凸。類似下圖所示:凸費(fèi)用流問題一個(gè)實(shí)用解法:拆邊根據(jù)費(fèi)用函數(shù)的“折點(diǎn)”把邊拆成費(fèi)用不同的若干條邊。例如:某邊容量上限為3,費(fèi)用為f(x)=x^2則可把該邊拆成3條邊,容量均為1,費(fèi)用依次為1^2-0^2=1,2^2–1^2=3,3^2–2^2=5凸費(fèi)用流問題由費(fèi)用流的“貪心”性質(zhì)可知,若某兩點(diǎn)之間有多條邊,必然會(huì)先填滿費(fèi)用較小的邊。故當(dāng)此邊流過1個(gè)流量時(shí),費(fèi)用為1,流量為2時(shí),費(fèi)用為1+3=4,依次類推思考:為什么要限定“凸”?平面圖最大流與普

33、通流網(wǎng)絡(luò)的唯一不同:圖是由平面圖構(gòu)建而來即平面圖中的一塊區(qū)域作為一個(gè)點(diǎn),相鄰區(qū)域之間連邊所得到的圖有何特殊性質(zhì)?平面圖最大流ACMBeijing2019如下圖所示,邊上有權(quán)值,要阻斷從左上角到右下角的 的全部路,最 小花費(fèi)多少1000*1000矩陣平面圖最大流ST平面圖最大流把每個(gè)面當(dāng)作一個(gè)點(diǎn),原問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍骃到T的最短路問題無向圖最小割與普通最小割不同之處:不限定源與匯,隨便割成兩部分即可枚舉?

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