二分图(匈牙利,KM算法详解)
KM算法
int w[maxn][maxn];
int lx[maxn]={0},ly[maxn]={0}; //顶标
int linky[maxn];
int visx[maxn],visy[maxn];
int lack;
bool find(int x){
visx[x]=true;
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(n4)——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(n2)。实际上KM算法的复杂度是可以做到O(n3)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。
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。
匈牙利算法解决二分图最大匹配
匈⽛利算法解决⼆分图最⼤匹配预备知识 匈⽛利算法是由匈⽛利数学家Edmonds于1965年提出，因⽽得名。
匈⽛利算法是基于Hall定理中充分性证明的思想，它是⼆分图匹配最常见的算法，该算法的核⼼就是寻找增⼴路径，它是⼀种⽤增⼴路径求⼆分图最⼤匹配的算法。
⼆分图 ⼆分图⼜称作⼆部图，是图论中的⼀种特殊模型。
设G=(V,E)是⼀个⽆向图，如果顶点V可分割为两个互不相交的⼦集(A，B)，并且图中的每条边（i，j）所关联的两个顶点 i 和 j 分别属于这两个不同的顶点集(i in A，j in B)，则称图G为⼀个⼆分图。
匹配 在图论中，⼀个图是⼀个匹配（或称独⽴边集）是指这个图之中，任意两条边都没有公共的顶点。
这时每个顶点都⾄多连出⼀条边，⽽每⼀条边都将⼀对顶点相匹配。
例如，图3、图4中红⾊的边就是图2的匹配。
图3中1、4、5、7为匹配点，其他顶点为⾮匹配点，1-5、4-7为匹配边，其他边为⾮匹配边。
最⼤匹配 ⼀个图所有匹配中，所含匹配边数最多的匹配，称为这个图的最⼤匹配。
图 4 是⼀个最⼤匹配，它包含 4 条匹配边。
任意图中，极⼤匹配的边数不少于最⼤匹配的边数的⼀半。
完美匹配 如果⼀个图的某个匹配中，所有的顶点都是匹配点，那么它就是⼀个完美匹配。
显然，完美匹配⼀定是最⼤匹配，但并⾮每个图都存在完美匹配。
最⼤匹配数：最⼤匹配的匹配边的数⽬。
最⼩点覆盖数：选取最少的点，使任意⼀条边⾄少有⼀个端点被选择。
最⼤独⽴数：选取最多的点，使任意所选两点均不相连。
最⼩路径覆盖数：对于⼀个DAG（有向⽆环图），选取最少条路径，使得每个顶点属于且仅属于⼀条路径，路径长可以为0（即单个点）定理1：Konig定理——最⼤匹配数 = 最⼩点覆盖数定理2：最⼤匹配数 = 最⼤独⽴数定理3：最⼩路径覆盖数 = 顶点数 - 最⼤匹配数匈⽛利算法例⼦ 为了便于理解，选取了dalao博客⾥找妹⼦的例⼦： 通过数代⼈的努⼒，你终于赶上了剩男剩⼥的⼤潮，假设你是⼀位光荣的新世纪媒⼈，在你的⼿上有N个剩男，M个剩⼥，每个⼈都可能对多名异性有好感（惊讶，-_-||暂时不考虑特殊的性取向） 如果⼀对男⼥互有好感，那么你就可以把这⼀对撮合在⼀起，现在让我们⽆视掉所有的单相思（好忧伤的感觉，快哭了），你拥有的⼤概就是下⾯这样⼀张关系图，每⼀条连线都表⽰互有好感。
二分图匹配(匈牙利算法和KM算法)
前言：高中时候老师讲这个就听得迷迷糊糊，有一晚花了通宵看KM的Pascal代码，大概知道过程了，后来老师说不是重点，所以忘的差不多了。
都知道二分图匹配是个难点，我这周花了些时间研究了一下这两个算法，总结一下1.基本概念M代表匹配集合未盖点：不与任何一条属于M的边相连的点交错轨：属于M的边与不属于M的边交替出现的轨（链）可增广轨：两端点是未盖点的交错轨判断M是最大匹配的标准：M中不存在可增广轨2.最大匹配，匈牙利算法时间复杂度：O(|V||E|)原理：寻找M的可增广轨P，P包含2k+1条边，其中k条属于M，k+1条不属于M。
修改M 为M&P。
即这条轨进行与M进行对称差分运算。
所谓对称差分运算，就是比如X和Y都是集合，X&Y=(X并Y)-(x交Y)有一个定理是：M&P的边数是|M|+1，因此对称差分运算扩大了M实现：关于这个实现，有DFS和BFS两种方法。
先列出DFS的代码，带注释。
这段代码来自中山大学的教材核心部分在dfs(x)，来寻找可增广轨。
如果找到的话，在Hungarian()中，最大匹配数加一。
这是用了刚才提到的定理。
大家可以想想初始状态是什么，又是如何变化的view plaincopy to clipboardprint?第二种方法BFS，来自我的学长cnhawk核心步骤还是寻找可增广链，过程是：1.从左的一个未匹配点开始，把所有她相连的点加入队列2.如果在右边找到一个未匹配点，则找到可增广链3.如果在右边找到的是一个匹配的点，则看它是从左边哪个点匹配而来的，将那个点出发的所有右边点加入队列这么说还是不容易明白，看代码吧view plaincopy to clipboardprint?3.最佳匹配加权图中，权值最大的最大匹配KM算法：概念：f(v)是每个点的一个值，使得对任意u,v C V，f(u)+f(v)>=w[e u,v]集合H：一个边集，使得H中所有u,v满足f(u)+f(v)=w[e u,v]等价子图：G f(V,H)，标有f函数的G图理论：对于f和G f，如果有一个理想匹配集合M p，则M p最优。
BipartiteGraph
1 2
5
3 4
1
2
3
4
由于每条边表示一个空地，有冲 突的空地之间必有公共顶点，所 以问题转化为二部图的最大匹配 问题。
1
2
3
4
例题1 Place the Robots（ZOJ）
小结
比较前面的两个模型：模型一过于简单，没有给问 题的求解带来任何便利；模型二则充分抓住了问题的内 在联系，巧妙地建立了二部图模型。为什么会产生这种 截然不同的结果呢？其一是由于对问题分析的角度不同： 模型一以空地为点，模型二以空地为边；其二是由于对 原型中要素的选取有差异：模型一对要素的选取不充分， 模型二则保留了原型中“棋盘”这个重要的性质。由此 可见，对要素的选取，是图论建模中至关重要的一步。
二分图匹配
匈牙利算法和KM算法简介
二分图的概念
二分图又称作二部图，是图论中的一种特殊
模型。 设G=(V,{R})是一个无向图。如顶点集V可分 割为两个互不相交的子集，并且图中每条边 依附的两个顶点都分属两个不同的子集。则 1 2 3 4 5 称图G为二分图。
1
2
3
4
最大匹配
给定一个二分图G，在G的一个子图M中，M
1
2 3
4
1 3 8 5 7 2
8 7 6 5
4
这是NP问题！
6
例题1 Place the Robots（ZOJ）
模型二
我们将每一行，每一列被墙隔开， 且包含空地的连续区域称作 “块”。显然，在一个块之中， 最多只能放一个机器人。我们把 这些块编上号。
1 2
5
3 4
同样，把竖直方向的块也编上号。
1
KM算法
二分图匹配--匈牙利算法
⼆分图匹配--匈⽛利算法⼆分图匹配--匈⽛利算法⼆分图匹配匈⽛利算法基本定义：⼆分图 —— 对于⽆向图G=(V,E)，如果存在⼀个划分使V中的顶点分为两个互不相交的⼦集，且每个⼦集中任意两点间不存在边 ϵ∈E,则称图G为⼀个⼆分图。
⼆分图的充要条件是，G⾄少有两个顶点，且所有回路长度为偶数。
匹配 —— 边的集合，其中任意两条边都不存在公共顶点。
匹配边即是匹配中的元素，匹配点是匹配边的顶点，同样⾮匹配边，⾮匹配点相反定义。
最⼤匹配——在图的所有匹配中，包含最多边的匹配成为最⼤匹配 完美匹配——如果在⼀个匹配中所有的点都是匹配点，那么该匹配称为完美匹配。
附注：所有的完美匹配都是最⼤匹配，最⼤匹配不⼀定是完美匹配。
假设完美匹配不是最⼤匹配，那么最⼤匹配⼀定存在不属于完美匹配中的边，⽽图的所有顶点都在完美匹配中，不可能找到更多的边，所以假设不成⽴，及完美匹配⼀定是最⼤匹配。
交替路——从⼀个未匹配点出发，依次经过⾮匹配边，匹配边，⾮匹配边…形成的路径称为交替路，交替路不会形成环。
增⼴路——起点和终点都是未匹配点的交替路。
因为交替路是⾮匹配边、匹配边交替出现的，⽽增⼴路两端节点都是⾮匹配点，所以增⼴路⼀定有奇数条边。
⽽且增⼴路中的节点(除去两端节点)都是匹配点，所属的匹配边都在增⼴路径上，没有其他相连的匹配边，因此如果把增⼴路径中的匹配边和⾮匹配边的“⾝份”交换，就可以获得⼀个更⼤的匹配(该过程称为改进匹配)。
⽰例图Fig1_09_09.JPG注释：Fig3是⼀个⼆分图G=(V,E),V={1,2,3,4,5,6,7,8},E={(1,7),(1,5),(2,6),(3,5),(3,8),(4,5),(4,6)},该图可以重绘成Fig4，V可分成两个⼦集V={V1,V2},V1={1,2,3,4},V2={5,6,7,8}。
Fig4中的红⾊边集合就是⼀个匹配{(1,5),(4,6),(3,8)}Fig2中是最⼤匹配Fig1中红⾊边集合是完美匹配Fig1中交替路举例(4-6-2-7-1-5)Fig4中增⼴路(2-6-4-5-1-7)匈⽛利树匈⽛利树中从根节点到叶节点的路径均是交替路，且匈⽛利树的叶节点都是匹配点。
匈牙利匹配算法的原理
匈牙利匹配算法的原理匈牙利匹配算法（也被称为二分图匹配算法或者Kuhn-Munkres算法）是用于解决二分图最大匹配问题的经典算法。
该算法由匈牙利数学家Dénes Kőnig于1931年提出，并由James Munkres在1957年进行改进。
该算法的时间复杂度为O(V^3)，其中V是图的顶点数。
匹配问题定义：给定一个二分图G=(X,Y,E)，X和Y分别代表两个不相交的顶点集合，E表示连接X和Y的边集合。
图中的匹配是指一个边的集合M，其中任意两条边没有公共的顶点。
匹配的相关概念：1.可增广路径：在一个匹配中找到一条没有被占用的边，通过这条边可以将匹配中的边个数增加一个，即将不在匹配中的边添加进去。
2. 增广路径：一个可增广路径是一个交替序列P=v0e1v1e2v2...ekvk，其中v0属于X且不在匹配中，v1v2...vk属于Y且在匹配中，e1e2...ek在原图中的边。
3.增广轨：一个交替序列形如V0E1V1E2...EkVk，其中V0属于X且不在匹配中，V1V2...Vk属于Y且在匹配中，E1E2...Ek在原图中的边。
增广轨是一条路径的特例，它是一条从X到Y的交替序列。
1.初始时，所有的边都不在匹配中。
2.在X中选择一个点v0，如果v0已经在匹配中，则找到与v0相连的在Y中的顶点v1、如果v1不在匹配中，则(v0,v1)是可增广路径的第一条边。
3. 如果v1在匹配中，则找到与v1相连的在X中的顶点v2，判断v2是否在匹配中。
依此类推，直到找到一个不在匹配中的点vn。
4.此时，如果n是奇数，则(n-1)条边在匹配中，这意味着我们找到了一条增广路径。
如果n是偶数，则(n-1)条边在匹配中，需要进行进一步的处理。
5.如果n是偶数，则将匹配中的边和非匹配中的边进行颠倒，得到一个新的匹配。
6.对于颠倒后的匹配，我们再次从第2步开始，继续寻找增广路径。
7.重复步骤2到步骤6，直到找不到可增广路径为止，此时我们得到了最大匹配。
二分图的最大匹配—匈牙利算法
⼆分图的最⼤匹配—匈⽛利算法【基本概念】：⼆分图：⼆分图⼆分图⼜称作⼆部图，是图论中的⼀种特殊模型。
设G=(V,E)是⼀个⽆向图，如果顶点V可分割为两个互不相交的⼦集(A,B)，并且图中的每条边（i，j）所关联的两个顶点i和j分别属于这两个不同的顶点集(i in A,j in B)，则称图G为⼀个⼆分图。
⽆向图G为⼆分图的充分必要条件是，G⾄少有两个顶点，且其所有回路的长度均为偶数。
最⼤匹配最⼤匹配：给定⼀个⼆分图G，在G的⼀个⼦图M中，M的边集中的任意两条边都不依附于同⼀个顶点，则称M是⼀个匹配. 选择这样的边数最⼤的⼦集称为图的最⼤匹配问题，如果⼀个匹配中，图中的每个顶点都和图中某条边相关联，则称此匹配为完全匹配，也称作完备匹配.最⼩覆盖：最⼩覆盖要求⽤最少的点（Ｘ集合或Ｙ集合的都⾏）让每条边都⾄少和其中⼀个点关联。
可以证明：最少的点（即覆盖数）＝最⼤匹配数最⼩路径覆盖：⽤尽量少的不相交简单路径覆盖有向⽆环图Ｇ的所有结点。
解决此类问题可以建⽴⼀个⼆分图模型。
把所有顶点i拆成两个：Ｘ结点集中的i 和Y结点集中的i',如果有边i->j，则在⼆分图中引⼊边i->j'，设⼆分图最⼤匹配为m,则结果就是n-m。
增⼴路（增⼴轨）：（增⼴轨）：增⼴路若P是图G中⼀条连通两个未匹配顶点的路径，并且属于M的边和不属于M的边(即已匹配和待匹配的边)在P上交替出现，则称P为相对于M的⼀条增⼴路径（举例来说，有A、B集合，增⼴路由A中⼀个点通向B中⼀个点，再由B中这个点通向A中⼀个点……交替进⾏）。
增⼴路径的性质：1 有奇数条边。
2 起点在⼆分图的左半边，终点在右半边。
3 路径上的点⼀定是⼀个在左半边，⼀个在右半边，交替出现。
（其实⼆分图的性质就决定了这⼀点，因为⼆分图同⼀边的点之间没有边相连，不要忘记哦。
）4 整条路径上没有重复的点。
5 起点和终点都是⽬前还没有配对的点，⽽其它所有点都是已经配好对的。
算法学习：图论之二分图的最优匹配(KM算法)
二分图的最优匹配（KM算法）KM算法用来解决最大权匹配问题：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。
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或者是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。
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Bi-partite graph
二分图的定义：
二分图是这样的一个图，它的顶点可以 分为两个集合X和Y。所有的边关联的两个顶点 中，恰好一个属于集合X，一个属于集合Y。
二分图的匹配：
1
4
给定一个二分图G，M为
G边集的一个子集，如果M满 2
5
足当中的任意两条边都不依
附于同一个顶点，则称M是一 3 个匹配。
（1）M个是足够的。只需要让它们覆盖最大匹配 的M条边，则其它边一定被覆盖（如果有边e不被 覆盖，把e加入后得到一个更大的匹配）
（2）M个是必需的，仅考虑形成最大匹配的这M 条边，由于它们两两之间没有公共点，因此至少需 要M个点才可以把它们覆盖
PKU 3041:(类似的有PKU3020)
问题: 假如你现在正处在一个N*N的矩阵中,这个矩阵里面 有K个障碍物,你拥有一把武器,一发弹药一次能消灭 一行或一列的障碍物,求最小的弹药消灭全部障碍物
如果找到，则把它取反
（即增加了总了匹配数）。
看一道例题：PKU 1469
PKU 1469
一共有N个学生跟P门课程,一个学生可 以任意选一门或多门课,问是否达成: 1.每个学生代表的都是不同的课（如果 一个学生选修的那门课，那么他就可 以代表这门课） 2.每门课都有一个代表
PKU1469
输入为: P N(课程数跟学生数) 接着有P行,格式为Count studenti studenti+1 ……studentcount (Count表示对课程1感兴趣的学生数,接着有Count个学
1
4
1
4
2
5 把图中红色线去掉
2
5
蓝色线加上
3
6
3
6
1
4
更改各自的匹配点
找到一个更好的匹配 2
5
3
6
总结
所以流程就是:
1,对于一个未匹配的节点u,寻找它的每条边,如果它的边上 的另一个节点v还没匹配则表明找到了一个匹配,直接转步 骤4;
2,假如节点u它边上的另一个节点v已经匹配,那么就转向跟 v匹配的节点,假设是w,然后再对w重复1,2的步骤,即寻找增 广路.
3,假如我们在1,2步过程中找到一条增广路, 那么修改各自 对应的匹配点,转步骤4,若无增广路, 则退出.
4,匹配数+1;
最小点覆盖
最小覆盖： 最小覆盖要求用最少的点（Ｘ集 合或Ｙ集合的都行）让每条边都至少和其中一 个点关联。可以证明：最少的点（即覆盖数） ＝最大匹配数 M
简单的证明如下：
输入为: NK 接下来有K行,每行包含障碍物的坐标,即r行c列; 如:
34 11 13 22 32 输出为: 花费最小的弹药数
PKU3041
对于上面那个数据我们可以用下面的表示,0表示无障 碍物,,我们利用行跟列做二分图:
行
列
如果第i行的第j列有障碍物,则在图中
1
1
4 于是问题就变为在二分图中寻找最大
2
5 匹配,只要这个最大匹配大于或等于
课程数P,那么就达到要求了.
3
6
寻找最大匹配的匈牙利算法流程
假如我们用xM数组表示左边节点对其右边节点的匹
1
4 配,
yM表示右边节点对其左边节点的匹配,初始化为-1;
2
5
首先我们先看节点1,寻找下一条边,假设找到节点
3
5,因为1跟5都还没匹配,所以找到一个匹配.标记 6 ,xM[1]=5,yM[5]=1;
增广路如图中箭头 所示
现在重点看节点3,当寻找下一条边时,如图中的蓝 边,我们发现节点6的yM[6]=2;已经匹配了.
此时我们就转到节点6的匹配点2上去,发现节点2的 另一条边2->5中节点5也已经匹配了,yM[5]=1;继续 转到节点1,发现节点1的边1->4中节点4还没匹配.于 是我们找到了一个增广路径
生) 如第一行2 1 2表示学生1跟学生2对课程1感兴趣 输出为: 若每门课都能找到一位代表则输出”YES”,否则为”NO”
PKU1469
假如有三个学生跟三门课程,学生1,2,3.为了跟学生 区分,假设3个课程为4,5,6
左边节点是学生,右边节点是课程,下图表示,学生1 对课程4,5感兴趣,学生2对课程5,6感兴趣,学生3对 课程6感兴趣
6
二分图的最大匹配
定义： 图中包含边数最多的匹配称为图的最
大匹配。
如右图所示：蓝色部分 就构成一个最大匹配， 同时它也是一个完美匹 配
完美匹配： 如果所有点都在匹配边上，称这个最大 匹配是完美匹配。
二分图的最大匹配
匈牙利算法（时间复杂度O(nm)）
其思想是用宽度优先搜索来找增广路径（和 floodfill算法类似
Input: 3 34 13 23
Output: 2
1
1’
1
4
2
2’
3
3’
2
3
4
4’
二分图的最大独立集
最大独立集问题： 在Ｎ个点的图G中选出m个点，使 这m个点两两之间没有边．求m最大值．
记住一个重要的结论： 二分图的最大独立集数=节点数(n)-最大匹配数
黑色点即为一个最大独立集
可以这样理解，在总的点集中，去掉最少的点， 使得剩下的点相互之间没有边。用最少的点去 覆盖所有的边，也就是最小覆盖。
1
左边的i行连一条边到右边的j列,上面
的数据就对应左图
2
2
于是问题就转化成最小点覆盖的问题
3
3
.求最大匹配即可.
PKU2226
现在我们看一道构图比较复杂的题：PKU2226
DAG图的最小路径覆盖
用尽量少的不相交简单路径覆盖有向无环 (DAG)G的所有顶点，这就是DAG图的最小路 径覆盖问题。
解决此类问题可以建立一个二分图模型。把所 有顶点i拆成两个：Ｘ结点集中的i和Y结点集中 的i',如果有边i->j，则在二分图中引入边i->j'， 设二分图最大匹配为m,则结果就是n-m
记住一个重要的结论： DAC图的最小路径覆盖数=节点数(n)-最大匹配数 看一道例题：PKU1422
PKU1422
有一个城镇，它的所有街道都是单行的，并且 每条街道都是和两个路口相连。同时已知街道 不会形成回路。
你的任务是编写程序求最小数量的伞兵，这些 伞兵可以访问（visit）所有的路口。对于伞 兵的起始降落点不做限制。
转化为单位容量简单网络的最大流问题
在二分图的基础上，加入源点s和汇点t，让s与 每个X结点连一条边，每个Y结点和t连一条边 ，所有弧的容量为1。这样，饱和弧就对应着 匹配边。
二分图的最大匹配
匈牙利算法：
寻找增广路：
初始时最大匹配为空 for 二分图左半边的每个点i do 从点i出发寻找增广路径