Hopkroft - Karp algoritmi - Hopcroft–Karp algorithm

Hopkroft - Karp algoritmi
SinfGrafik algoritmi
Ma'lumotlar tarkibiGrafik
Eng yomoni ishlash
Eng yomoni kosmik murakkablik

Yilda Kompyuter fanlari, Hopkroft - Karp algoritmi (ba'zan aniqroq deb nomlangan Hopkroft-Karp-Karzanov algoritmi)[1] bu algoritm bu kirish sifatida qabul qilinadi ikki tomonlama grafik va mahsulot sifatida ishlab chiqaradi a maksimal darajada muvofiqlik - iloji boricha ko'proq qirralarning to'plami, u erda hech qanday chekka so'nggi nuqtani birlashtirmaydi. U ishlaydi vaqt eng yomon holat, qayerda grafadagi qirralarning to'plami, grafasi tepaliklari to'plami bo'lib, u shunday deb taxmin qilinadi . Bo'lgan holatda zich grafikalar belgilangan vaqt bo'ladi va siyrak uchun tasodifiy grafikalar u chiziqqa yaqin (| E |) vaqt ichida ishlaydi[iqtibos kerak ].

Algoritm topildi Jon Xopkroft va Richard Karp  (1973 ) va mustaqil ravishda Aleksandr Karzanov  (1973 ).[2] Kabi mos keladigan oldingi usullarda bo'lgani kabi Vengriya algoritmi va ishi Edmonds (1965), Hopcroft-Karp algoritmi topish orqali qisman moslashtirish hajmini bir necha bor oshiradi yo'llarni ko'paytirish. Ushbu yo'llar grafika qirralarining ketma-ketligi bo'lib, ular mos keladigan qirralarning o'rtasida va qisman mos keladigan tashqaridan qirralarning o'rtasida o'zgarib turadi va bu erda dastlabki va oxirgi chekka qisman mos kelmaydi. Kattalashtirish yo'lini topish, shunchaki kattalashtirish yo'lining chekkalarini almashtirish (qisman mos kelmaydiganlarni qisman moslashtirishni qo'yish va aksincha) orqali qisman moslashtirish hajmini oshirishga imkon beradi. Kabi ikki tomonlama moslashtirish uchun oddiy algoritmlar Ford-Fulkerson algoritmi It iteratsiya uchun bitta kattalashtirish yo'lini toping: Hopkroft-Karp algoritmi o'rniga eng qisqa oshirish yo'llarining maksimal to'plamini topadi, shunda faqatgina o'rniga takrorlash kerak takrorlash. Xuddi shu ko'rsatkich Micali va Vazirani-ning yanada murakkab algoritmi bilan o'zboshimchalik bilan grafikada maksimal kardinallik mosligini topish uchun erishish mumkin.[3]

Hopcroft-Karp algoritmini alohida holat sifatida ko'rish mumkin Dinic algoritmi uchun maksimal oqim muammosi.[4]

Kattalashtirish yo'llari

Qisman mos keladigan narsalarda chekkaning so'nggi nuqtasi bo'lmagan tepalik deyiladi a bepul vertex. Algoritm tayanadigan asosiy tushuncha an kattalashtirish yo'li, erkin tepadan boshlanib, erkin tepadan tugaydigan va yo'l ichidagi mos kelmaydigan va mos keluvchi qirralarning almashinadigan yo'l. Ushbu ta'rifdan kelib chiqadiki, so'nggi nuqtalardan tashqari, kattalashtirish yo'lidagi barcha boshqa tepalar (agar mavjud bo'lsa) erkin bo'lmagan tepalar bo'lishi kerak. Kattalashtirish yo'li faqat ikkita tepadan (ikkalasi ham erkin) va ular orasidagi tengsiz bitta chekkadan iborat bo'lishi mumkin.

Agar mos keladigan va ga nisbatan kattalashtirish yo'lidir , keyin nosimmetrik farq ikki qirralarning to'plami, , o'lchamlari bilan mos keladigan shakl hosil qiladi . Shunday qilib, ko'paytiriladigan yo'llarni topib, algoritm mos keladigan hajmni oshirishi mumkin.

Aksincha, mos keladigan deb taxmin qiling maqbul emas va ruxsat bering nosimmetrik farq qayerda eng yaxshi moslik. Chunki va ikkalasi ham mos keladi, har bir tepalik maksimal darajada 2 darajaga ega . Shunday qilib ajratilgan tsikllar to'plamini, teng miqdordagi mos va teng bo'lmagan qirralarning yo'llarini tashkil qilishi kerak uchun yo'llarni ko'paytirish va yo'llarni oshirish ; ammo ikkinchisi imkonsiz, chunki optimal hisoblanadi. Endi tsikllar va teng miqdordagi mos keladigan va teng bo'lmagan tepaliklarning yo'llari orasidagi o'lchamdagi farqga hissa qo'shmaydi. va , shuning uchun bu farq kengaytirilgan yo'llar soniga teng yilda . Shunday qilib, har doim mos keladigan narsa mavjud joriy mos keladiganidan kattaroq , shuningdek, kengaytirish yo'li mavjud bo'lishi kerak. Agar kattalashtirish yo'li topilmasa, algoritm xavfsiz tarzda tugashi mumkin, chunki bu holda optimal bo'lishi kerak.

Mos keladigan muammoning ko'payishi yo'li bilan chambarchas bog'liq yo'llarni ko'paytirish kelib chiqishi maksimal oqim muammolari, oqim terminallari orasidagi oqim miqdorini oshirishi mumkin bo'lgan yo'llar. Ikki tomonlama mos keladigan muammoni maksimal oqim misoliga aylantirish mumkin, chunki mos keladigan muammoning o'zgaruvchan yo'llari oqim muammosining ko'paytiruvchi yo'llariga aylanadi. Ikkita tepalikni, manba va cho'kishni kiritish va birlik hajmining chekkalarini manbadan har bir tepaga kiritish kifoya va har bir tepadan in lavaboya; va qirralarning ruxsat bering ga birlik quvvatiga ega.[5] Ixtiyoriy tarmoqlarda maksimal oqimni topish uchun Hopcroft-Karp algoritmida qo'llanilgan texnikani umumlashtirish quyidagicha tanilgan. Dinic algoritmi.

Algoritm

Algoritm quyidagicha ifodalanishi mumkin psevdokod.

Kiritish: Ikki tomonlama grafik
Chiqish: Mos kelish
takrorlang
vertex-disjoint eng qisqa oshirish yo'llarining maksimal to'plami
qadar

Batafsilroq, ruxsat bering va ikki qismidagi ikkita to'plam bo'ling va mos keladigan narsadan ruxsat bering ga har qanday vaqtda to'plam sifatida namoyish etiladi .Algoritm bosqichma-bosqich bajariladi. Har bir bosqich quyidagi bosqichlardan iborat.

  • A kenglik bo'yicha birinchi qidiruv grafika uchlarini qatlamlarga ajratadi. Bepul tepaliklar ushbu qidiruvning boshlang'ich tepalari sifatida ishlatiladi va bo'linishning birinchi qatlamini tashkil qiladi. Qidiruvning birinchi darajasida faqat teng bo'lmagan qirralar mavjud, chunki erkin tepaliklar in ta'rifi bo'yicha har qanday mos qirralarga qo'shni emas. Qidiruvning keyingi darajalarida o'tilgan qirralarning bir-biriga mos keladigan va taqqoslanmaganligini almashtirish zarur. Ya'ni, vertexdan vorislarni qidirishda , faqat tengsiz qirralarni bosib o'tish mumkin, vertexdan esa faqat mos keladigan qirralarni bosib o'tish mumkin. Qidiruv birinchi qatlamda tugaydi bu erda bir yoki bir nechta bepul tepaliklar erishildi.
  • Barcha bepul tepaliklar qatlamda to'plamga yig'iladi . Ya'ni, tepalik ichiga qo'yiladi agar u faqat eng qisqa oshirish yo'lini tugatsagina.
  • Algoritm maksimal to'plamni topadi vertex ajratilgan uzunlik yo'llarini ko'paytirish . (Maksimal endi bunday yo'llarni qo'shib bo'lmaydi degan ma'noni anglatadi. Bu topishdan farq qiladi maksimal qilish qiyinroq bo'lgan bunday yo'llarning soni. Yaxshiyamki, bu erda maksimal yo'llar to'plamini topish kifoya.) Ushbu to'plam hisoblangan bo'lishi mumkin chuqurlik birinchi izlash (DFS) dan ichida bepul tepalarga , qidiruvga rahbarlik qilish uchun birinchi kenglikdan foydalangan holda: DFSga faqat oldingi qatlamda foydalanilmagan tepalikka olib boruvchi qirralarning ketma-ketligi ruxsat etiladi va DFS daraxtidagi yo'llar mos keladigan va taqqoslanmagan qirralarning o'rtasida o'zgarib turishi kerak. Bir marta kattalashtirish yo'li topilgan bo'lib, u tepaliklardan birini o'z ichiga oladi , DFS keyingi boshlang'ich tepadan davom ettiriladi. DFS paytida duch kelgan har qanday tepalik darhol ishlatilgan deb belgilanishi mumkin, chunki undan yo'l yo'q bo'lsa DFS-ning hozirgi nuqtasida, bu tepalikka erishish uchun foydalanib bo'lmaydi DFSning boshqa har qanday nuqtasida. Bu ta'minlaydi DFS uchun ishlash vaqti. Boshqa yo'nalishda, erkin tepaliklardan boshlab ishlash ham mumkin ichida bo'lganlarga , bu psevdokodda ishlatiladigan variant.
  • Shu tarzda topilgan yo'llarning har biri kattalashtirish uchun ishlatiladi .

Algoritm fazalardan birining birinchi qidiruv qismida kengaytiriladigan yo'llar topilmasa tugaydi.

Tahlil

Har bir bosqich bitta kenglik bo'yicha birinchi izlanish va bitta chuqurlik bo'yicha birinchi qidirishdan iborat. Shunday qilib, bitta bosqich amalga oshirilishi mumkin vaqt.Shuning uchun birinchi fazalar, bilan grafada tepaliklar va chekka, vaqt talab eting .

Har bir bosqich eng qisqa kattalashtirish yo'lining uzunligini kamida bittaga ko'paytiradi: faza berilgan uzunlikdagi maksimal ko'paytirish yo'llarining to'plamini topadi, shuning uchun qolgan har qanday qo'shish yo'li uzoqroq bo'lishi kerak. Shuning uchun, bir marta boshlang'ich algoritmning bosqichlari to'liq, qolgan eng qisqa oshirish yo'li kamida bor undagi qirralar. Biroq, nosimmetrik farq oxir-oqibat maqbul va qisman mos keladigan M dastlabki fazalar tomonidan topilgan vertex-disjoint kuchaytiruvchi yo'llar va o'zgaruvchan tsikllar to'plamini tashkil qiladi. Agar ushbu to'plamdagi yo'llarning har biri kamida uzunlikka ega bo'lsa , ko'pi bilan bo'lishi mumkin to'plamdagi yo'llar va optimal moslik hajmi o'lchamidan farq qilishi mumkin ko'pi bilan qirralar. Algoritmning har bir bosqichi mos kelish hajmini kamida bittaga oshirganligi sababli, ko'pi bilan bo'lishi mumkin algoritm tugashidan oldin qo'shimcha fazalar.

Algoritm jami eng ko'p bajarganligi sababli Bu umumiy vaqtni oladi eng yomon holatda.

Ko'pgina hollarda, algoritmga sarflanadigan vaqt, bu eng yomon holat tahlilidan ham tezroq bo'lishi mumkin. Masalan, o'rtacha ish uchun siyrak ikki tomonlama tasodifiy grafikalar, Bast va boshq. (2006) (ning oldingi natijasini yaxshilash Motvani 1994 yil ) yuqori ehtimollik bilan barcha optimal bo'lmagan o'yinlarning ko'payish yo'llariga ega ekanligini ko'rsatdi logaritmik uzunlik. Natijada, ushbu grafikalar uchun Hopcroft-Karp algoritmi olinadi fazalar va umumiy vaqt.

Boshqa ikki tomonlama mos algoritmlar bilan taqqoslash

Uchun siyrak grafikalar, Hopcroft-Karp algoritmi eng yomon ko'rsatkichlarga ega bo'lib kelmoqda, ammo zich grafikalar uchun (tomonidan so'nggi algoritm Alt va boshq. (1991) bir oz yaxshiroq vaqt chegarasiga erishadi, . Ularning algoritmi a dan foydalanishga asoslangan push-relabel maksimal oqim algoritmi va keyin ushbu algoritm tomonidan yaratilgan moslik maqbul darajaga yaqinlashganda, Hopcroft-Karp uslubiga o'ting.

Bir nechta mualliflar ikki tomonlama mos algoritmlarni eksperimental taqqoslashni amalga oshirdilar. Umuman olganda, ularning natijalari shuni ko'rsatadiki, Hopkroft-Karp usuli amalda nazariyada bo'lgani kabi unchalik yaxshi emas: u kengayish yo'llarini topish uchun oddiyroq kenglik va chuqurlik birinchi strategiyalar bilan ham, push-relabel usullar bilan ham ustundir. .[6]

Ikki tomonlama grafikalar

Qisqartirish yo'llarining maksimal to'plamini topishning bir xil g'oyasi, shuningdek, ikki tomonlama grafikalardagi maksimal muvofiqlikni topish uchun ham ishlaydi va shu sabablarga ko'ra ushbu g'oya asosida algoritmlar olinadi fazalar. Biroq, ikki tomonlama bo'lmagan grafikalar uchun har bir fazada kattalashtirish yo'llarini topish vazifasi ancha qiyin. Bir necha sekinroq o'tmishdoshlarning ishiga asoslanib, Mikali va Vazirani (1980) fazani chiziqli vaqt ichida qanday amalga oshirishni ko'rsatdi, natijada ikki tomonlama grafikalar uchun Hopkroft-Karp algoritmi bilan bir xil vaqtga bog'langan, ikki tomonlama bo'lmagan mos algoritm paydo bo'ldi. Micali-Vazirani texnikasi murakkab bo'lib, uning mualliflari natijalarining to'liq dalillarini taqdim etmadilar; keyinchalik "tomonidan aniq ekspozitsiya" nashr etildi Peterson va Lou (1988) va muqobil usullar boshqa mualliflar tomonidan tavsiflangan.[7] 2012 yilda Vazirani Micali-Vazirani algoritmining yangi soddalashtirilgan isbotini taklif qildi.[8]

Psevdokod

/ * G = U ∪ V ∪ {NIL}, bu erda U va V ikki tomonlama grafaning chap va o'ng tomonlari, NIL esa maxsus null vertex * / funktsiya BFS () bu    har biriga siz yilda U qil        agar Pair_U [u] = NIL keyin            Dist [u]: = 0 Enqueue (Q, u) boshqa            Dist [u]: = ∞ Dist [NIL]: = ∞ esa Bo'sh (Q) = noto'g'ri qil        u: = Dequeue (Q) agar Dist [u] keyin            har biriga v yilda Adj [u] qil                agar Dist [Pair_V [v]] = ∞ keyin                    Dist [Pair_V [v]]: = Dist [u] + 1 Enqueue (Q, Pair_V [v]) qaytish Dist [NIL] ≠ ∞funktsiya DFS (u) bu    agar u ≠ NIL keyin        har biriga v yilda Adj [u] qil            agar Dist [Pair_V [v]] = Dist [u] + 1 keyin                agar DFS (Pair_V [v]) = rost keyin                    Pair_V [v]: = u Pair_U [u]: = v qaytish haqiqiy Dist [u]: = ∞ qaytish yolg'on qaytish to'g'rifunktsiya Hopkroft – Karp bu    har biriga siz yilda U qil        Pair_U [u]: = NIL har biriga v yilda V qil        Pair_V [v]: = NIL mosligi: = 0 esa BFS () = rost qil        har biriga siz yilda U qil            agar Pair_U [u] = NIL keyin                agar DFS (u) = rost keyin                    taalukli: = taalukli + 1 qaytish taalukli
Kirish grafigi va oraliq takrorlash 1 va oxirgi takrorlash 2 dan keyin mos kelishini ko'rsatadigan namunaviy grafikada bajarish.

Izoh

Bizning grafamizning tepalari U va V qismlarga bo'linib, U va V ning har bir tepasi mos keladigan bitta vertikalni o'z ichiga olgan Pair_U va Pair_V jadvallari ko'rsatganidek, qisman mos kelishini ko'rib chiqaylik. Asosiy fikr - grafaning har ikki tomoniga ikkita qo'g'irchoq tepalik qo'shish: uDummy U ning barcha tengsiz tepalariga ulangan va vDummy V ga to'g'ri kelmagan barcha vertikallarga ulangan. Endi, agar biz kenglik bo'yicha birinchi qidiruv (BFS) uDummy-dan vDummy-ga, keyin biz U-dagi tengsiz tepaliklarni V-ga teng bo'lmagan vertikallarga bog'laydigan minimal uzunlikdagi yo'llarni olishimiz mumkin. Grafik ikki tomonlama bo'lgani uchun, bu yo'llar har doim U va tepaliklar V, va biz BFS-da V dan U ga o'tishda har doim mos keladigan chekkani tanlashimizni talab qilamiz. Agar biz V ning tengsiz tepasiga etib ketsak, u holda biz vDummy-da tugaydi va BFS-da yo'llarni qidirish tugaydi. Xulosa qilib aytganda, BFS U-dagi tengsiz tepaliklardan boshlanadi, V-dagi barcha qo'shnilariga boradi, agar barchasi mos kelsa, u yana U-ning barcha tepalari mos keladigan (va oldin tashrif buyurilmagan) tepalariga qaytadi, keyin u V ning cho'qqilaridan biri teng kelmaguncha, bu tepaliklarning barcha qo'shnilariga va boshqalarga boradi.

Ayniqsa, BFS U ning mos kelmaydigan tugunlarini 0 masofa bilan belgilab qo'yganini, keyin U har qaytib kelganida masofani oshirib borishini kuzatib boring. Bu BFSda ko'rib chiqilgan yo'llar U ning tengsiz tepaliklarini tengsiz tepaliklarga ulash uchun minimal uzunlikka ega bo'lishiga kafolat beradi. V har doim V dan U tomonga qaytib, ayni paytda mos keladigan qismga aylanadi. Xususan, vDummy-ga mos keladigan maxsus NIL vertexiga cheklangan masofa beriladi, shuning uchun BFS funktsiyasi iff qiymatiga qaytadi, agar biron bir yo'l topilgan bo'lsa. Agar hech qanday yo'l topilmasa, u holda ko'paytiriladigan yo'llar qolmaydi va mos keladigan maksimal bo'ladi.

Agar BFS rost bo'lsa, biz davom etamiz va U dan V gacha topilgan minimal uzunlikdagi yo'llar uchun tepaliklar uchun juftlikni yangilaymiz: biz buni birinchi chuqurlikdagi qidiruv (DFS). E'tibor bering, bunday yo'lda Vdagi har bir tepalik, oxirgisidan tashqari, hozirda mos keladi. Shunday qilib, biz DFS bilan o'rganishimiz mumkin, biz bosib o'tgan yo'llar BFSda hisoblangan masofalarga mos kelishiga ishonch hosil qiling. Biz har bir shunday yo'l bo'ylab yangilanamiz, mos keladigan barcha qirralarni mos keladigan joydan olib tashlaymiz va shu qatorda hozirda mos bo'lmagan barcha qirralarni qo'shamiz: chunki bu kattalashtirish yo'li (birinchi va yo'lning so'nggi qirralari mos keladigan qism emas edi va yo'l mos keladigan va mos kelmagan qirralarning o'rtasida almashinib turardi), keyin bu mos keladigan qirralarning sonini ko'paytiradi. Bu joriy moslashtirishni joriy moslashtirish va butun yo'l o'rtasidagi nosimmetrik farq bilan almashtirish bilan bir xil.

Shuni esda tutingki, kod biz ko'rib chiqadigan barcha kengaytirish yo'llarining vertex disjoint bo'lishini ta'minlaydi. Darhaqiqat, yo'l uchun nosimmetrik farqni amalga oshirgandan so'ng, Dist [Pair_V [v]] Dist [u] + 1 ga teng bo'lmasligi sababli, DFS-da uning hech bir tepasi qayta ko'rib chiqilmaydi (bu aniq Dist bo'ladi [u]).

Shuningdek, DFS bir tepaga bir necha bor tashrif buyurmasligiga e'tibor bering. Bu quyidagi satrlar tufayli:

Dist [u] = ∞qaytarish

U tepalikdan eng qisqa oshirish yo'lini topa olmaganimizda, u holda DFS u vertexni Dist [u] ni cheksizlikka o'rnatib belgilaydi, shunda bu tepaliklar yana tashrif buyurmaydi.

So'nggi kuzatuvlardan biri shundaki, biz aslida uDummy-ga ehtiyoj sezmaymiz: uning roli shunchaki BFS-ni ishga tushirganda U-ning barcha tengsiz tepalarini navbatga qo'yishdir. VDummy-ga kelsak, u yuqoridagi psevdokodda NIL deb belgilanadi.

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ Gabov (2017); Annamalai (2018)
  2. ^ Dinits (2006).
  3. ^ Peterson, Pol A.; Loui, Maykl C. (1988-11-01). "Mikali va Vazirani umumiy maksimal mos algoritmi". Algoritmika. 3 (1): 511–533. doi:10.1007 / BF01762129. ISSN  1432-0541. S2CID  16820.
  4. ^ Tarjan, Robert Endre (1983-01-01). Ma'lumotlar tuzilmalari va tarmoq algoritmlari. Amaliy matematika bo'yicha CBMS-NSF mintaqaviy konferentsiyalar seriyasi. Sanoat va amaliy matematika jamiyati. doi:10.1137/1.9781611970265. ISBN  978-0-89871-187-5., p102
  5. ^ Ahuja, Magnanti va Orlin (1993), 12.3-bo'lim, ikki tomonlama kardinallikni moslashtirish muammosi, 469-470-betlar.
  6. ^ Chang va Makkormik (1990); Darbi-Dovman (1980); Setubal (1993); Setubal (1996).
  7. ^ Gabov va Tarjan (1991).
  8. ^ Vazirani (2012)

Adabiyotlar