最小費用最大流

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最小費用最大流
  通過EK,Dinic,ISAP算法可以得到網絡流圖中的最大流,一個網絡流圖中最大流的流量max_flow是唯一的,但是達到最大流量max_flow時每條邊上的流量分配f是不唯一的。
  如果給網絡流圖中的每條邊都設置一個費用cost,表示單位流量流經該邊時會導致花費cost。那么在這些流量均為max_flow的流量分配f中,存在一個流量總花費最小的最大流方案。
min{ sum( cost(i, j)*f(i,j) | (i, j) 屬于方案f中的邊, f(i,j)為 邊(i,j)上的流量, f為某一個最大流方案}。此即為最小費用最大流。

算法思想
  采用貪心的思想,每次找到一條從源點到達匯點的路徑,增加流量,且該條路徑滿足使得增加的流量的花費最小,直到無法找到一條從源點到達匯點的路徑,算法結束。
由于最大流量有限,每執行一次循環流量都會增加,因此該算法肯定會結束,且同時流量也必定會達到網絡的最大流量;同時由于每次都是增加的最小的花費,即當前的最小花費是所有到達當前流量flow時的花費最小值,因此最后的總花費最小。

求解步驟
(1)找到一條從源點到達匯點的“距離最短”的路徑,“距離”使用該路徑上的邊的單位費用之和來衡量。
(2)然后找出這條路徑上的邊的容量的最小值f,則當前最大流max_flow擴充f,同時當前最小費用min_cost擴充 f*min_dist(s,t)。
(3)將這條路徑上的每條正向邊的容量都減少f,每條反向邊的容量都增加f。
(4)重復(1)--(3)直到無法找到從源點到達匯點的路徑。

需要注意幾點
1、注意超級源點和超級終點的建立。
2、初始化時,正向邊的單位流量費用為cost[u][v],那么反向邊的單位流量費用就為-cost[u][v]。因為回流費用減少。
3、費用cost數組和容量cap數組每次都要初始化為0。
求解從源點到匯點的“最短”路徑時,由于網絡中存在負權邊,因此使用SPFA來實現。

加上自己的一點見解:其實就是Edmonds_Karp算法中的BFS換成SPFA,同時邊上有單位流量流經該邊時的花費cost。每次求出可行流時,當前的最小費用就是最小距離*最大流流量。

A - Going Home
題意:
給出一個地圖,H代表房子,m代表人,兩者數量相等,人每移動一格花費1,每個房子只能住一個人,求所有人走到房子里所需要的最小花費。
題解:
很容易知道這是最優匹配問題,所以可以像最大匹配那樣建圖:
超級源點連向人,容量為1,單位費用流為0;
房子連超級匯點,容量為1,單位費用流為0;
二分圖的邊容量也為1,單位費用流為房子和人的哈密頓距離;

#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<queue>
using namespace std;
const int MAXN=250;
const int MAXE=21000;
const int INF=0x3f3f3f3f;
struct Node
{
    int to,next,c,cost;
    Node(){}
    Node(int to,int next,int c,int cost):to(to),next(next),c(c),cost(cost){}
};
int head[MAXN],cnt;
Node edge[MAXE];
void addEdge(int u,int v,int c,int cost)
{
    edge[cnt]=Node(v,head[u],c,cost);
    head[u]=cnt++;
    edge[cnt]=Node(u,head[v],0,-cost);
    head[v]=cnt++;
}
int inque[MAXN],dis[MAXN],pre[MAXN];
bool BFS(int st,int ed,int &cost)
{
    queue<int> que;
    que.push(st);
    memset(inque,0,sizeof(inque));
    memset(dis,INF,sizeof(dis));
    dis[st]=0;
    pre[st]=pre[ed]=-1;
    int u,v;
    while(!que.empty())
    {
        u=que.front();que.pop();
        inque[u]=0;
        for(int i=head[u];i!=-1;i=edge[i].next)
        {
            v=edge[i].to;
            if(edge[i].c>0&&dis[v]>dis[u]+edge[i].cost)
            {
                dis[v]=dis[u]+edge[i].cost;
                pre[v]=i;
                if(inque[v]==0)
                {
                    inque[v]=1;
                    que.push(v);
                }
            }
        }
    }
    if(pre[ed]==-1) return false;
    int flow=INF;
    for(int i=pre[ed];i!=-1;i=pre[edge[i^1].to])
    {
        flow=min(flow,edge[i].c);
    }
    for(int i=pre[ed];i!=-1;i=pre[edge[i^1].to])
    {
        edge[i].c-=flow;
        edge[i^1].c+=flow;
    }
    cost+=dis[ed]*flow;//累加最小費用
    return true;
}
struct Object
{
    int x,y;
    Object(int x=0,int y=0):x(x),y(y){}
};
Object man[110],house[110];
int mcnt,hcnt;
char graph[110][110];
int main()
{
    int n,m,cost,st,ed;
    while(scanf("%d%d",&n,&m)!=EOF,n+m)
    {
        memset(head,-1,sizeof(head));
        cost=cnt=mcnt=hcnt=0;
        for(int i=1;i<=n;i++)
        {
            scanf("%s",graph[i]+1);
            for(int j=1;j<=m;j++)
            {
                if(graph[i][j]=='m')
                {
                    man[++mcnt]=Object(i,j);
                }
                else if(graph[i][j]=='H')
                {
                    house[++hcnt]=Object(i,j);
                }
            }
        }
        st=0;ed=mcnt*2+1;
        for(int i=1;i<=mcnt;i++)
        {
            addEdge(st,i,1,0);
            for(int j=1;j<=hcnt;j++)
            {
                addEdge(i,mcnt+j,1,abs(man[i].x-house[j].x)+abs(man[i].y-house[j].y));
            }
        }
        for(int i=1;i<=hcnt;i++)
        {
            addEdge(i+mcnt,ed,1,0);
        }
        while(BFS(st,ed,cost));
        printf("%d\n",cost);
    }
}
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