KM算法

KM算法

计算机算法
KM算法求的是完备匹配下的最大权匹配:在一个二分图内,左顶点为X,右顶点为Y,现对于每组左右连接XiYj有权wij,求一种匹配使得所有wij的和最大。[1]也就说,它原来不属于相等子图,现在可能进入了相等子图,因而使相等子图得到了扩大。在寻找增广路的过程中,检查边(i,j)时,如果它不在相等子图中,则让slack[j]变成原值与A[i]+B[j]-w[i,j]的较小值。这样,在修改顶标时,取所有不在交错树中的Y顶点的slack值中的最小值作为d值即可。匈牙利算法解题是极为简单的,但是图论的难并不是难在解答,而是建图的过程,也难怪会有牛曰:用匈牙利算法,建图是痛苦的,最后是快乐的。
    中文名:KM算法 外文名: 别名: 用途:求的是完备匹配下的最大权匹配 基本原理:相等子图等 注意:找匹配时USED都是清0的等

解决思路

基本原理

该算法是通过给每个顶点一个标号(叫做顶标)来把求最大权匹配的问题转化为求完备匹配的问题的。设顶点Xi的顶标为A[i],顶点Yj的顶标为B[j],顶点Xi与Yj之间的边权为w[i,j]。在算法执行过程中的任一时刻,对于任一条边(i,j),A[i]+B[j]>=w[i,j]始终成立。

KM算法的正确性基于以下定理:

若由二分图中所有满足A[i]+B[j]=w[i,j]的边(i,j)构成的子图(称做相等子图)有完备匹配,那么这个完备匹配就是二分图的最大权匹配。

首先解释下什么是完备匹配,所谓的完备匹配就是在二部图中,X点集中的所有点都有对应的匹配且Y点集中所有的点都有对应的匹配,则称该匹配为完备匹配。

这个定理是显然的。因为对于二分图的任意一个匹配,如果它包含于相等子图,那么它的边权和等于所有顶点的顶标和;如果它有的边不包含于相等子图,那么它的边权和小于所有顶点的顶标和。所以相等子图的完备匹配一定是二分图的最大权匹配。

初始时为了使A[i]+B[j]>=w[i,j]恒成立,令A[i]为所有与顶点Xi关联的边的最大权,B[j]=0。如果当前的相等子图没有完备匹配,就按下面的方法修改顶标以使扩大相等子图,直到相等子图具有完备匹配为止。

我们求当前相等子图的完备匹配失败了,是因为对于某个X顶点,我们找不到一条从它出发的交错路。这时我们获得了一棵交错树,它的叶子结点全部是X顶点。现在我们把交错树中X顶点的顶标全都减小某个值d,Y顶点的顶标全都增加同一个值d,那么我们会发现:

1)两端都在交错树中的边(i,j),A[i]+B[j]的值没有变化。也就是说,它原来属于相等子图,现在仍属于相等子图。

2)两端都不在交错树中的边(i,j),A[i]和B[j]都没有变化。也就是说,它原来属于(或不属于)相等子图,现在仍属于(或不属于)相等子图。

3)X端不在交错树中,Y端在交错树中的边(i,j),它的A[i]+B[j]的值有所增大。它原来不属于相等子图,现在仍不属于相等子图。

4)X端在交错树中,Y端不在交错树中的边(i,j),它的A[i]+B[j]的值有所减小。也就说,它原来不属于相等子图,现在可能进入了相等子图,因而使相等子图得到了扩大。

5)到最后,X端每个点至少有一条线连着,Y端每个点有一条线连着,说明最后补充完的相等子图一定有完备匹配。(若由二分图中所有满足A[i]+B[j]=w[i,j]的边(i,j)构成的子图(称做相等子图)有完备匹配,那么这个完备匹配就是二分图的最大权匹配。)

现在的问题就是求d值了。为了使A i]+B[j]>=w[i,j]始终成立,且至少有一条边进入相等子图,d应该等于:

Min{A[ i ]+B[j]-w[i,j]|Xi在交错树中,Yi不在交错树中}。

改进

以上就是KM算法的基本思路。但是朴素的实现方法,时间复杂度为O(n^4)——需要找O(n)次增广路,每次增广最多需要修改O(n)次顶标,每次修改顶标时由于要枚举边来求d值,复杂度为O(n^2)。实际上KM算法的复杂度是可以做到O(n^3)的。我们给每个Y顶点一个“松弛量”函数slack,每次开始找增广路时初始化为无穷大。在寻找增广路的过程中,检查边(i,j)时,如果它不在相等子图中,则让slack[j]变成原值与A[i]+B[j]-w[i,j]的较小值。这样,在修改顶标时,取所有不在交错树中的Y顶点的slack值中的最小值作为d值即可。但还要注意一点:修改顶标后,要把所有的不在交错树中的Y顶点的slack值都减去d。

Kuhn-Munkras算法流程:

(1)初始化可行顶标的值;

(2)用匈牙利算法寻找完备匹配;

(3)若未找到完备匹配则修改可行顶标的值;

(4)重复(2)(3)直到找到相等子图的完备匹配为止;

C代码

KM算法和最大匹配(匈牙利算法)

2010.7.18

匈牙利算法的分析与运用:

匈牙利算法的精髓在于USED哈希数组的使用,下面是匈牙利算法的主要模块:

在原程序进行调用是也就是简简单单的一句话:

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

注意

每一次找匹配时USED都是清0的,这是为了记录什么可以找,什么不可以找,说白了,这个模块就是一个递归的过程,USED的应用就是为了限制递归过程中的寻找范围,从而达到“不好则换,换则最好”,这里的最好是“新换”中最好的。

匈牙利算法解题是极为简单的,但是图论的难并不是难在解答,而是建图的过程,也难怪会有牛曰:用匈牙利算法,建图是痛苦的,最后是快乐的。当然,我们这些◎#!◎◎也只能搞搞NOIP了,一般不会太难,所以此算法,极为好用。

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。

解决最大流问题可以使用“网络流”,但较为繁琐,没有KM来得痛快,

下面是KM算法的核心模块:

可以见出,该模块与匈牙利算法极为相似,差别便是:

if not vy[y] and (lx[x]+ly[y]=w[x,y])判断语句了,这里涉及到KM算法的思想,不再赘述,请自行“摆渡”之。

但是在源程序的调用过程更是烦杂:

总结起来便是:有机会就上,没有机会创造机会也要上!

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