力扣刷题之旅:高阶篇(五)—— 网络流算法:最大流与最小割

++**力扣(LeetCode)**是一个在线编程平台,主要用于帮助程序员提升算法和数据结构方面的能力。以下是一些力扣上的入门题目,以及它们的解题代码。++

目录

引言

一、最大流与最小割的基本概念

二、力扣上的题目

[题目描述:"最大流"(Maximum Flow)](#题目描述:“最大流”(Maximum Flow))

输入格式:

输出格式:

示例:

输入:

输出:

解释:

以下是使用Edmonds-Karp算法解决最大流问题的Python代码示例:

四、算法分析

五、总结


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引言

在算法领域中,网络流算法 是一个重要且实用的工具,尤其在处理资源分配、运输优化等问题上表现出色。++最大流和最小割是网络流算法中的两个核心概念,它们在很多实际应用中都有着广泛的使用。++

一、最大流与最小割的基本概念

在一个有向图中,如果存在一个源点s和一个汇点t,以及每条边上都有一个非负容量限制,那么这样的图就被称为一个流网络。++最大流问题是在这样的流网络中寻找从源点s到汇点t可以传输的最大流量。++ 而最小割问题则是寻找一个割集,使得割集中所有边的容量之和最小,同时确保源点s汇点t在不同的子图中。

二、力扣上的题目

++题目描述:"最大流"Maximum Flow)++

给定一个有向图,其中每个节点表示一个地点,每条边表示两个地点之间的连接,边上的权重表示该连接的容量。请找出从源点s到汇点t的最大流量。

输入格式
  • ++第一行包含四个整数n、m、s、t,分别表示节点的数量、边的数量、源点和汇点。++
  • 接下来m行,每行包含三个整数u、v、c,表示从节点u到节点v有一条容量为c的边。
输出格式
  • ++输出一个整数,表示从源点s到汇点t的最大流量。++
示例
输入
python 复制代码
4 4 1 4  
1 2 1  
2 3 2  
3 4 2  
1 4 1
输出
python 复制代码
2
解释

++上述输入表示一个有向图,其中节点1是源点,节点4是汇点。++从节点1到节点4的最大流量为2,可以通过两条路径实现:1→2→3→4和1→4。

三、解题代码

以下是使用Edmonds-Karp算法解决最大流问题的Python代码示例:
python 复制代码
from queue import Queue  
  
def edmonds_karp(graph, source, sink):  
    # 初始化剩余容量和流量  
    residual_graph = {u: {v: c for v, c in graph[u].items()} for u in graph}  
    flow = {u: 0 for u in graph}  
      
    # BFS寻找增广路径  
    def bfs():  
        visited = {u: False for u in graph}  
        parent = {u: None for u in graph}  
        path_flow = {u: 0 for u in graph}  
          
        queue = Queue()  
        queue.put(source)  
        visited[source] = True  
        path_flow[source] = float('inf')  
          
        while not queue.empty():  
            u = queue.get()  
              
            for v, c in residual_graph[u].items():  
                if c > 0 and not visited[v]:  
                    visited[v] = True  
                    parent[v] = u  
                    path_flow[v] = min(path_flow[u], c)  
                      
                    if v == sink:  
                        return parent, path_flow  
                      
                    queue.put(v)  
          
        return None, None  
      
    # 更新流量和剩余容量  
    def update_flow(parent, path_flow):  
        u = sink  
        while u != source:  
            v = parent[u]  
            residual_graph[v][u] += path_flow[sink]  
            residual_graph[u][v] -= path_flow[sink]  
            flow[v] += path_flow[sink]  
            u = v  
      
    # 主循环  
    while True:  
        parent, path_flow = bfs()  
        if parent is None:  
            break  
          
        update_flow(parent, path_flow)  
      
    return flow[sink]  
  
# 示例输入与输出  
if __name__ == "__main__":  
    n, m, source, sink = map(int, input().split())  
    graph = {u: {} for u in range(1, n+1)}  
    for _ in range(m):  
        u, v, c = map(int, input().split())  
        graph[u][v] = c  
      
    print(edmonds_karp(graph, source, sink))

四、算法分析

Edmonds-Karp算法 是基于增广路径的最大流算法。++它使用BFS来寻找从源点到汇点的增广路径,并沿着该路径更新流量和剩余容量。算法的时间复杂度为O(V*E^2),其中V是节点的数量,E是边的数量。++虽然这个算法不是最高效的,但它的实现相对简单,适合用于理解最大流问题的基本概念。


五、总结

通过解决最大流问题,我们学习了网络流算法 中的基本概念和算法实现。++最大流算法在多个领域都有广泛的应用,可以帮助我们优化资源分配和运输路线。++在力扣上刷题的过程中,我们不仅提高了自己的编程能力,还深入理解了网络流算法的原理和应用。

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