3.8.3. Использование задачи о наименьшем покрытии при раскраске вершин графа
При любой правильной раскраске графа G множество вершин, окрашиваемых в один и тот же цвет, является независимым множеством. Поэтому раскраску можно понимать как разбиение вершин графа на независимые множества. Если рассматривать только максимальные независимые множества, то раскраска - это не что иное, как покрытие вершин графа G множествами этого типа. В том случае, когда вершина принадлежит не одному максимальному независимому множеству, допустимы различные раскраски с одним и тем же количеством цветов. Эту вершину можно окрашивать в цвета тех множеств, которым она принадлежит.
Исходным положением метода является получение всех максимальных независимых множеств и хранение их в некоторой матрице M (N*W), где W - количество максимальных независимых множеств. Элемент матрицы M[i,j] равен единице, если вершина с номером i принадлежит множеству с номером j, и нулю в противном случае. Если затем каждому столбцу поставить в соответствие единичную стоимость, то задача раскраски не что иное, как поиск минимального количества столбцов в матрице M, покрывающих все ее строки. Каждый столбец соответствует определенному цвету.
1 2 3 4 5
1 1 1 0 0 0
2 1 0 0 1 0
3 0 0 1 0 0
4 0 0 1 1 1
5 0 1 0 0 1
A * * *
B * * *
3.9. Потоки в сетях, паросочетания
3.9.1. Постановка задачи
Одной из задач теории графов является задача определения максимального потока, протекающего от некоторой вершины s графа (источника) к некоторой вершине t (стоку). При этом каждой дуге (граф ориентированный) (i,j) приписана некоторая пропускная способность С(i,j), определяющая максимальное значение потока, который может протекать по данной дуге. Содержательных интерпретаций задачи достаточно много, и, безусловно, они усилят и сделают более понятными сложные занятия по этой проблематике.
Метод решения задачи о максимальном потоке от s к t был предложен Фордом и Фалкерсоном, и их “техника меток” составляет основу других алгоритмов решения многочисленных задач, являющихся обобщениями или расширениями указанной задачи.
Одним из фундаментальных фактов теории потоков в сетях является классическая теорема о максимальном потоке и минимальном разрезе. Разрезом называют множество дуг, удаление которых из сети приводит к “разрыву” всех путей, ведущих из s в t. Пропускная способность разреза - это суммарная пропускная способность дуг, его составляющих. Разрез с минимальной пропускной способностью называют минимальным разрезом.
Теорема (Форд и Фалкерсон). Величина каждого потока из s в t не превосходит пропускной способности минимального разреза, разделяющего s и t, причем существует поток, достигающий этого значения.
Теорема устанавливает эквивалентность задач нахождения максимального потока и минимального разреза, однако не определяет метода их поиска.
Пример.
Показана сеть, источник - вершина 1, сток
- вершина 6, в круглых скобках у дуг
указаны их пропускные способности.
Минимальный разрез - дуги (1, 2) и (3, 4),
следовательно, согласно теореме
максимальный поток равен 4. Разрез
определен путем простого перебора.
Логика его “лобового” поиска очевидна.
Осуществляем перебор по дугам путем
генерации всех возможных подмножеств
дуг. Для каждого подмножества дуг
проверяем, является ли оно разрезом.
Если является, то вычисляем его пропускную
способность и сравниваем ее с минимальным
значением. При положительном результате
сравнения запоминаем разрез и изменяем
значение минимума. Удачный выбор данных
позволяет сделать программный код
компактным, но очевидно, что даже при
наличии различных отсечений в переборе
метод применим только для небольших
сетей. Однако, как найти максимальный
поток, то есть его распределение по
дугам, по - прежнему открытый вопрос.
“Техника меток” Форда и Фалкерсона заключается в последовательном (итерационном) построении максимального потока путем поиска на каждом шаге увеличивающейся цепи, то есть пути (последовательности дуг), поток по которой можно увеличить. При этом узлы (вершины графа) специальным образом помечаются. Отсюда и возник термин “метка”.
