网络流问题详解

1. 网络最大流

1.1 容量网络和网络最大流

1.1.1 容量网络

设 G(V, E)是一个有向网络，在 V 中指定了一个顶点，称为源点（记为 Vs），以及另一个顶点，称为汇点（记为 Vt）；对于每一条弧<u, v>∈ E，对应有一个权值c(u, v)＞0，称为弧的容量（capacity）。通常把这样的有向网络 G 称为容量网络。

1.1.2 弧的流量

通过容量网络 G 中每条弧<u, v>上的实际流量（简称流量），记为 f(u, v)。

1.1.3 网络流

所有弧上流量的集合 f = { f(u, v) }，称为该容量网络 G 的一个网络流。

每条弧旁边括号内的两个数值( c(u, v), f(u, v) )，第 1 个数值表示弧容量，第二个数值表示通过该弧的流量。例如，弧<Vs, V1>上的两个数字(8, 2)，前者是弧容量，表示通过该弧最大流量为 8，后者表示目前通过该弧的实际流量为 2。

从上图中可见：

通过每弧的流量均不超过弧容量；
源点 Vs 流出的总量为 3 + 2 = 5，等于流入汇点 Vt 的总量 2 + 3 = 5；
其他中间顶点的流出流量等于其流入流量。例如，中间顶 V2 的流入流量为 3，流出流量为： 2 + 1 = 3。

1.1.4 可行流

在容量网络 G(V, E)中，满足以下条件的网络流 f，称为可行流。

弧流量限制条件： 0 ≤ f(u, v) ≤ c(u, v)， <u, v>∈ E
平衡条件：

1.1.5 零流

对于任何一个容量网络，可行流总是在存在的，如 f = { 0 }，即每条弧上的流量为 0，该网络流称为零流。

1.1.6 伪流

如果一个网络流只满足弧流量限制条件，不满足平衡条件，则这种网络流称为伪流，或称为容量可行流。

1.1.7 可行流

在容量网络 G(V, E)中，满足弧流量限制条件和平衡条件、且具有最大流量的可行流，称为网络最大流，简称最大流。

1.2 链与增广路

在容量网络 G(V, E)中，设有一可行流 f = { f(u, v) }，根据每条弧上流量的多少、以及流量和容量的关系，可将弧分四种类型：

饱和弧，即 f(u, v) = c(u, v)；
非饱和弧，即 f(u, v) < c(u, v)；
零流弧，即 f(u, v) =0；
非零流弧，即 f(u, v) > 0。

在上图中，弧<V1, V4>、 <V1, V3>是饱和弧；弧<Vs, V2>、 <V2, V1>等是非饱和弧；弧<V2, V4>、 <V3, V4>是零流弧；弧<V1, V4>、 <V3, Vt>等是非零流弧。

1.2.1 链

在容量网络中，称顶点序列(u, u1, u2, …, un, v)为一条链，要求相邻两个顶点之间有一条弧，如< u, u1 >或< u1, u >为容量网络中一条弧。

设 P 是 G 中从 Vs 到 Vt 的一条链，约定从 Vs 指向 Vt 的方向为该链的正方向。注意，链的概念不等同于有向路径的概念，在链中，并不要求所有的弧都与链的正方向同向。

沿着 Vs 到 Vt 的一条链，各弧可分为两类：

前向弧（方向与链的正方向一致的弧），其集合记为 P+；
后向弧（方向与链的正方向相反的弧），其集合记为 P–。

注意，前向弧和后向弧是相对的，即相对于指定链的正方向。同一条弧可能在某条链中是前向弧，而在另外一条链中是后向弧。

例如在图下中，指定的链为： P = { Vs , V1 , V2 , V4 , Vt }，这条链在图(a)中用粗线标明。则P+和 P–分别为：

P+ = { <Vs , V1>, <V2 , V4>, <V4, Vt> }。
P– = { <V2, V1> }。

1.2.1 增广路

设 f 是一个容量网络 G 中的一个可行流， P 是从 Vs 到 Vt 的一条链，若 P 满足下列条件：

在 P 的所有前向弧<u, v>上， 0 ≤ f(u, v) < c(u, v)，即 P+中每一条弧都是非饱和弧；
在 P 的所有后向弧<u, v>上， 0 < f(u, v) ≤ c(u, v)，即 P–中每一条弧是非零流弧。

则称 P 为关于可行流 f 的一条增广路，简称为增广路（或称为增广链、可改进路）。

那么，为什么将具有上述特征的链 P 称为增广路呢？原因是可以通过修正 P 上所有弧的流量f(u, v)来把现有的可行流 f 改进成一个值更大的流 f1。沿着增广路改进可行流的操作称为增广。

下面具体地给出一种方法，利用这种方法就可以把 f 改进成一个值更大的流 f1。这种方法是：

不属于增广路 P 的弧<u, v>上的流量一概不变，即 f1(u, v) = f(u, v)；

增广路 P 上的所有弧<u, v>上的流量按下述规则变化：（始终满足可行流的 2 个条件）

在前向弧<u, v>上， f1(u, v) = f(u, v) +α ；
在后向弧<u, v>上， f1(u, v) = f(u, v) -α 。

称 α 为可改进量，它应该按照下述原则确定： α 既要取得尽量大，又要使变化后 f1 仍满足可行流的两个条件－容量限制条件和平衡条件。

不难看出，按照这个原则， α 既不能超过每条前向弧的 c(u, v)– f(u, v)，也不能超过每条后向弧的 f(u, v)。 因此 α 应该等于每条前向弧上的 c(u, v)– f(u, v)与每条后向弧上的 f(u, v)的最小值。即：

1.3 残留容量与残留网络

1.3.1 残留容量

给定容量网络 G(V, E)及可行流 f，弧<u, v>上的残留容量记为c'(u, v)= c(u, v)– f(u, v)。每条弧的残留容量表示该弧上可以增加的流量。

1.3.2 残留网络

设有容量网络 G(V, E)及其上的网络流 f， G 关于 f 的残留网络（简称残留网络）记为 G'(V', E')，其中 G'的顶点集 V'和 G 的顶点集 V 相同，即 V'＝V，对于 G 中的任何一条弧<u, v>，如果 f(u, v) < c(u, v)，那么在 G'中有一条弧<u, v>∈ E'，其容量为 c'(u, v) = c(u, v)– f(u, v)，如果 f(u, v) > 0，则在 G'中有一条弧<v, u>∈ E'，其容量为 c'(v, u) = f(u, v)。从残留网络的定义可以看出，原容量网络中的每条弧在残留网络中都化为一条或两条弧（如果G中弧<u, v>有残留容量，则在G'中将化为两条弧，一条<u, v>，容量为c(u, v) - f(u, v)，一条<v, u>，容量为f(u, v)）。