【算法篇】二分圖匹配之匈牙利算法

二分圖匹配,自然要先從定義入手,那么二分圖是什么呢?

二分圖:

二分圖又稱作二部圖,是圖論中的一種特殊模型。 設G=(V,E)是一個無向圖,如果頂點V可分割為兩個互不相交的子集(A,B),并且圖中的每條邊(i,j)所關聯的兩個頂點i和j分別屬于這兩個不同的頂點集(i in A,j in B),則稱圖G為一個二分圖。

簡單的說,一個圖被分成了兩部分,相同的部分沒有邊,那這個圖就是二分圖,二分圖是特殊的圖。

匹配:

給定一個二分圖G,在G的一個子圖M中,M的邊集{E}中的任意兩條邊都不依附于同一個頂點,則稱M是一個匹配。
極大匹配(Maximal Matching)是指在當前已完成的匹配下,無法再通過增加未完成匹配的邊的方式來增加匹配的邊數。最大匹配(maximum matching)是所有極大匹配當中邊數最大的一個匹配。選擇這樣的邊數最大的子集稱為圖的最大匹配問題。
如果一個匹配中,圖中的每個頂點都和圖中某條邊相關聯,則稱此匹配為完全匹配,也稱作完備匹配。
求二分圖匹配可以用最大流(Maximal Flow)或者匈牙利算法(Hungarian Algorithm)

注意匈牙利算法,除了二分圖多重匹配外在二分圖匹配中都可以使用。

注:二分圖匹配中還有一個hk算法,復雜度為o(sqrt(n)*e)由于復雜度降低較低,代碼量飆升而且絕大多數情況下沒人會閑的卡個sqrt的復雜度。。在此先不講了,有興趣可以自己百度,貌似卡這個算法的只有hdu2389嘛。
首先我們講解一下匈牙利算法的過程:

匈牙利算法:

匈牙利算法幾乎是二分圖匹配的核心算法,除了二分圖多重匹配外均可使用

匈牙利算法實際上就是一種網絡流的思想,其核心就是尋找增廣路。具體操作就是嗯——拉郎配

注:以下轉自 http://blog.csdn.net/dark_scope/article/details/8880547

匈牙利算法是由匈牙利數學家Edmonds于1965年提出,因而得名。匈牙利算法是基于Hall定理中充分性證明的思想,它是部圖匹配最常見的算法,該算法的核心就是尋找增廣路徑,它是一種用增廣路徑求二分圖最大匹配的算法。

-------等等,看得頭大?那么請看下面的版本:

通過數代人的努力,你終于趕上了剩男剩女的大潮,假設你是一位光榮的新世紀媒人,在你的手上有N個剩男,M個剩女,每個人都可能對多名異性有好感(-_-||暫時不考慮特殊的性取向),如果一對男女互有好感,那么你就可以把這一對撮合在一起,現在讓我們無視掉所有的單相思(好憂傷的感覺),你擁有的大概就是下面這樣一張關系圖,每一條連線都表示互有好感。

關系圖

本著救人一命,勝造七級浮屠的原則,你想要盡可能地撮合更多的情侶,匈牙利算法的工作模式會教你這樣做:

一、先試著給1號男生找妹子,發現第一個和他相連的1號女生還名花無主,got it,連上一條藍線
二、接著給2號男生找妹子,發現第一個和他相連的2號女生名花無主,got it
三、接下來是3號男生,很遺憾1號女生已經有主了,怎么辦呢?

我們試著給之前1號女生匹配的男生(也就是1號男生)另外分配一個妹子。

(黃色表示這條邊被臨時拆掉)

與1號男生相連的第二個女生是2號女生,但是2號女生也有主了,怎么辦呢?我們再試著給2號女生的原配重新找個妹子(注意這個步驟和上面是一樣的,這是一個遞歸的過程)

此時發現2號男生還能找到3號女生,那么之前的問題迎刃而解了,回溯回去

所以第三步最后的結果就是:

四、 接下來是4號男生,很遺憾,按照第三步的節奏我們沒法給4號男生騰出來一個妹子,我們實在是無能為力了……香吉士同學走好。

這就是匈牙利算法的流程,其中找妹子是個遞歸的過程,最最關鍵的字就是“騰”字。

其原則大概是:有機會上,沒機會創造機會也要上。
核心代碼
bool find(int x){
    int i,j;
    for (j=1;j<=m;j++){    //掃描每個妹子
        if (line[x][j]==true && used[j]==false)      
        //如果有曖昧并且還沒有標記過(這里標記的意思是這次查找曾試圖改變過該妹子的歸屬問題,但是沒有成功,所以就不用瞎費工夫了)
        {
            used[j]=1;
            if (girl[j]==0 || find(girl[j])) { 
                //名花無主或者能騰出個位置來,這里使用遞歸
                girl[j]=x;
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}

在主程序我們這樣做:每一步相當于我們上面描述的一二三四中的一步。

for (i=1;i<=n;i++)
{
    memset(used,0,sizeof(used));    //這個在每一步中清空
    if find(i) all+=1;
}

例題講解

RPG girls今天和大家一起去游樂場玩,終于可以坐上夢寐以求的過山車了。可是,過山車的每一排只有兩個座位,而且還有條不成文的規矩,就是每個女生必須找個個男生做partner和她同坐。但是,每個女孩都有各自的想法,舉個例子把,Rabbit只愿意和XHD或PQK做partner,Grass只愿意和linle或LL做partner,PrincessSnow愿意和水域浪子或偽酷兒做partner。考慮到經費問題,boss劉決定只讓找到partner的人去坐過山車,其他的人,嘿嘿,就站在下面看著吧。聰明的Acmer,你可以幫忙算算最多有多少對組合可以坐上過山車嗎?
Input
輸入數據的第一行是三個整數K , M , N,分別表示可能的組合數目,女生的人數,男生的人數。0<K<=1000 ,1<=N 和M<=500.接下來的K行,每行有兩個數,分別表示女生Ai愿意和男生Bj做partner。最后一個0結束輸入。
Output
對于每組數據,輸出一個整數,表示可以坐上過山車的最多組合數。
Sample Input
6 3 3
1 1
1 2
1 3
2 1
2 3
3 1
0
Sample Output
3

參考代碼

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int a[510][510];
int g[510],u[510];
int m,n;
int fun(int x)
{
   int i;
   for(i=1;i<=n;i++)    
   {
       if(a[x][i]!=0&&u[i]==0)
       {
          u[i]=1;
          if(g[i]==0||fun(g[i])!=0)
          {
              g[i]=x;
              return 1;
                }
          }
   }
   return 0;
} 
int main()
{
    int i,j,k,x,y;
    while(scanf("%d",&k),k!=0)
    {
        scanf("%d%d",&m,&n);
        memset(a,0,sizeof(a));
        memset(g,0,sizeof(g));
        for(i=0;i<k;i++)
        {
           scanf("%d%d",&x,&y);
           a[x][y]=1;
        }
        j=0;
        for(i=1;i<=m;i++)
        {
            memset(u,0,sizeof(u));
            if(fun(i))
              j++;  
        }
        printf("%d\n",j);
    }
    return 0;
}
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