网络流初步

网络流初步

概念介绍

网络流不同之处在于它的本质图论，但是把图论的某些概念换了一个说法而已，初步只要了解网络流的各个概念就可以明白的很快。

下述概念是本人自己定义的，对于网络流的题目做的还不多，后续会更正。

首先需要理解：网络流其实是在一个有向图中，从某个原点开始放水，水沿着管道最后流向汇点的过程，基于此就可以很好的理解一些概念和定理，而不需要十分严谨的证明（因为证明意义不大

流网络： 对于一个 $G(V,E)$ 的单向图，我们称为流网络

容量C： 点和点之间的边权成为容量

流量F： 通俗点说，点与点之间流过的水流量，和物理定义流量一致。一个很显然的性质：$F\le C$ 即流量不能超过容量

原点和汇点： 水流出的点，和水流入的点。

可行流： 全称可以流进去的流量，$F(u,v)$ 表示从 u 点流到 v 点的流量

流网络的可行流：即从原点或者汇点流入或者流出的总流量 $|F|$

最大流： 全称最大可行流，比较抽象，实际意义就是：从原点可以流出的最大流量，或者是汇集到汇点的最大流量。

残留网络： 对于一个每条边都确定流量F的流网络，如果存在某条边 $C-F>0$ ，即如果可以的话，还可以从 $u\to v$ 流动 $C-F$ 的水，那么我们将这些差值重新构造一张图，形成的网络被称为残留网络，十分形象，同时还会建立反向边，不过权值变成 $-F$ ，可以理解为水反向流动。此时构成完整的残存网络。

增广路： 在残存网络中，存在一条路径使得从S到T，该条路径流过的水>0，也就是路径最小值大于零，则称为该条路径成为增广路。

割：对于原点S 和 汇点T，我们通过划分将点集分成两部分，满足 S点集中点可以从S到达，T点集中点可以到达T，但是T和S不能在一个集合，此时我们成为是流网络中的一个割。

割的容量： 即连接点集 S 和点集 T 的边权的容量

割的流量： 同上，边权的流量

最小割： 全称最小割的容量。

结论

• 如果残留网络不存在增广路，此时流网络的可行流最大，即最大流

  证明： 主观十分好理解：如果不存在一种路径使得水从原点流到汇点，那么此时说明不能再流动，那么此时就是最大流量

  证明充要：也很显然，既然是最大流量，那么就不可能存在让自己流量在增加的路

• 如果残留网络不存在增广路，那么一定存在一种割的两个点集 $S,T$，满足 $|F|={\sum }_{u\in S,v\in T}c(u,v)$

  证明：现在画图更好理解这句话的意思：
  

  公式含义就是粉色框的边权的容量要等于流网络的可行流。 y总的证明:

  我们这样构造 S点集：在残留网络$G_f$ 中所有从S点出发边权容量不是 0 的点，剩余点归算于T点，那么对于这割的容量就是0，可以发现，这样的集合是可以构造出来的，因为有这个$G_f$ 不存在增广路的条件，那么所有的路径至少存在一个边权容量为0。

  那么因为每个割的残留网络容量为0，那么说明每条边都是某条流过的路径的最小值（或者是某些最小值的和，因为可能会存在距离S更近的某条边残余容量为0，这些流量之后恰好分开流向后面的最小值们，本质上是还是所有流过的路径最小值的贡献总和，可以理解为是所有的最小值边成为了割），也就是该条路径的流量，那么将这些流量加起来就是总流量。因为从S点流出的流量必须经过割中的所有边权才能到达T，又因为每个边的容量等于流量，所以满足 $|F|=\sum C(u,v)$

• 如果存在两个点集 $S,T$，满足 $|F|={\sum }_{u\in S,v\in T}c(u,v)$，那么$|F|$ 一定是最大流

证明：很显然，因为割的每条边的流量完全等于容量（由2可知（因为不存在增广路））,试想，我们将连接两个点集的之间割的容量全部得到了（S,T 之间可传递的最大容量），那么此时的流量和就是最大流。

• 最大流=最小割

  由上面的三个证明便可以得到，最大流 $\to$ 不存在增广路 $\to$ 最小割 $\to$ 最大流

这是最重要的证明，便于以后的建边和理解。

最大流

算法实现：

EK算法

算法思想：在图中不断找增广路，然后对边更改删掉增光路，对答案造成贡献，最后不存在增广路就是答案。时间复杂度：$O(n{m}^2)$，时间复杂度不会证明，不过可以满足 n<10000 以下的级别

模板:

#include<bits/stdc++.h>
#define int long long
using namespace std;
int read(){int x;scanf("%lld",&x);return x;}
const int B=1e6+10;
int p;
int n,m,S,T;
int head[1010];
int cnt;
struct node
{int u,v,nxt,w;
}e[B<<1];
void modify(int u,int v,int w)
{e[cnt].nxt=head[u];e[cnt].v=v;e[cnt].w=w;head[u]=cnt;cnt++;
} 
void add(int u,int v,int w)
{modify(u,v,w);modify(v,u,0);
}
int d[1010];
int pre[1010];
int vis[1010];
int inf=0x3f3f3f3f;
bool bfs()
{queue<int>q;memset(vis,0,sizeof(vis));q.push(S); vis[S]=1; d[S]=inf; while (!q.empty()){int u=q.front();q.pop();for (int i=head[u];i!=-1;i=e[i].nxt){int v=e[i].v;if (vis[v] || e[i].w==0) continue;d[v]=min(d[u],e[i].w);vis[v]=1;pre[v]=i;if (T==v) return 1;q.push(v);}}return 0;
}
int EK()
{int r=0;while (bfs()){r+=d[T];for (int i=T;i!=S;i=e[pre[i]^1].v){e[pre[i]].w-=d[T];e[pre[i]^1].w+=d[T];}}return r;
}
void work()
{cin>>n>>m>>S>>T;memset(head,-1,sizeof(head));for (int i=1;i<=m;i++){int u=read(),v=read(),c=read();add(u,v,c);}cout<<EK();
}
signed main()
{p=1;while (p--) work();return 0;
}

网络流细节

双向建边的时候需要注意的地方

• cnt从 0 开始，不是1
• for 循环里，边界 i!=-1 而不是 i!=0

费用流

费用流被称为：最小费用最大流

每个流量上又添加了一个单位流量花费。要求在最大流的情况下花费最小。

写法：把bfs找增广路，改写成SPFA找增广路就可以

证明：

最终可以从s点到达T做出贡献的路径是一定的，每条路径之间可能存在平替的现象，Bfs只是从中随便选择了几条，但我们可以将其平替，如下图

这些路径中，存在多种方案满足条件，要想花费最小，直接贪心就可。以前之所没有想明白，就可这张图一样，我想的是如果先把 6 的路径找出来，最后就只剩下 2 的路径才能成为8

不过我忘记了，还可以从 4 中走2，并不一定非要走4，所以这就不需要担心当前选择影响后续可选择对象的问题了，因为当前的选择不影响后续任何选择，不会导致选择对象数量发生变化，故可以直接贪心

模板

#include<bits/stdc++.h>
#define int long long
using namespace std;
int read(){int x;scanf("%lld",&x);return x;}
const int B=1e6+10;
int p;
int n,m,S,T;
int head[B];
int cnt;
struct node
{int u,v,nxt,c,w;
}e[B<<1];
void modify(int u,int v,int c,int w)
{e[cnt].nxt=head[u];e[cnt].v=v;e[cnt].c=c;e[cnt].w=w;head[u]=cnt;cnt++;
} 
void add(int u,int v,int c,int w)
{modify(u,v,c,w);modify(v,u,0,-w);
}
int d[5010];
int pre[5010];
int vis[5010];
int inf=0x3f3f3f3f;
int dis[5010];
bool bfs()
{queue<int>q;for (int i=1;i<=n;i++){vis[i]=0;dis[i]=inf;}q.push(S); vis[S]=1; d[S]=inf; dis[S]=0;while (!q.empty()){int u=q.front();q.pop();vis[u]=0;for (int i=head[u];i!=-1;i=e[i].nxt){int v=e[i].v;if (e[i].c==0) continue;if (dis[v]>dis[u]+e[i].w){dis[v]=dis[u]+e[i].w;pre[v]=i;d[v]=min(d[u],e[i].c);if (!vis[v]){vis[v]=1;q.push(v);}}}}return dis[T]!=inf;
}
void EK()
{int r=0;int sum=0;while (bfs()){r+=d[T];sum+=d[T]*dis[T];for (int i=T;i!=S;i=e[pre[i]^1].v){e[pre[i]].c-=d[T];e[pre[i]^1].c+=d[T];}}printf("%lld %lld", r,sum);
//	cout<<r<<" "<<sum<<"\n";
}
void work()
{cin>>n>>m>>S>>T;for (int i=1;i<=n;i++) head[i]=-1;for (int i=1;i<=m;i++){int u=read(),v=read(),c=read(),w=read();add(u,v,c,w);}EK();
}
signed main()
{p=1;while (p--) work();return 0;
}

r,sum);
// cout<<r<<" “<<sum<<”\n";
}
void work()
{
cin>>n>>m>>S>>T;
for (int i=1;i<=n;i++) head[i]=-1;
for (int i=1;i<=m;i++)
{
int u=read(),v=read(),c=read(),w=read();
add(u,v,c,w);
}
EK();
}
signed main()
{
p=1;
while (p–) work();
return 0;
}