Gale-Shapley算法

前言

最近看了一档综艺《心动的信号》(唉, 单身久了, 开始喜欢看别人谈恋爱了)

节目中共有n男n女, 他们会在节目的最后进行表白, 如果我喜欢你, 恰好你也喜欢我, 那么便就会在一起, 自此传为一段佳话.

于是, 我就在想, 如何用算法来实现这个匹配的过程呢?

单一匹配

将信息抽象化, 现有两个集合 M N, 每个集合中存在a个对象.

结果集 R 中元素为 (m, n), 其中 m ∈ M, n ∈ N, m 喜欢 n, n 也喜欢 m.

OK, 设计数据结果进行实现. (以下以Go进行简单演示)

package mainimport "fmt"type people struct {Name       string // 名字LikePeople string // 喜欢的人名
}type lovers struct {Boy  peopleGirl people
}func main() {// 分别构造男女队列boyArr := []people{}girlArr := []people{}// 分别对他们进行匹配var result []loversfor _, boy := range boyArr {// 查看他喜欢的女孩是否喜欢他for _, girl := range girlArr {if boy.LikePeople == girl.Name {// 两情相悦了if girl.LikePeople == boy.Name {result = append(result, lovers{Boy:  boy,Girl: girl,})}break}}}fmt.Println(result)
}

当然, 这就是简单的循环查找, 但是如果将喜欢的人, 从单个换成一个列表呢? 别说, 我后面找了一下, 还真有这么一个算法.

Gale-Shapley 算法

再来.现有两个集合 M N, 每个集合中分别存在a个对象. 匹配集 R 中的元素为: (m, n), 其中 m ∈ M, n ∈ N.

到这, 基本上和我们上面的匹配一致. Gale-Shapley在此基础上, 提出了完美匹配和稳定匹配的概念.

完美匹配

完美匹配是指, M 和N的每个成员, 都恰好出现在R的一个匹配队列中. 恰好的意思是, 不多不少就一次.

说人话就是: M和N中的所有人都配对成功, 不存在落单的男孩或女孩.

稳定匹配

一个完美匹配中如果不存在不稳定因素, 就称为稳定匹配.

我们上面每个人只能喜欢一个人, 现在不是了, 每个人都有一个喜欢程度从高到低的列表.

如果说 m1 在 n1 n2中更喜欢 n2, 那么m1的喜欢列表就是[n2, n1].

简单解释一下不稳定因素. 如果在结果集中, 存在这样的两个元素: (m1, n1), (m2, n2). 而m1相较于n1更喜欢n2, 同时n2相较于m2也更喜欢m1, 那么他俩就有私奔的可能. 这种可能就称为不稳定因素.

Gale-Shapley算法, 就是从中得出一个稳定匹配的算法. 算法的思想通俗易懂, 一句话概括: 所有男生依次尝试想所有女生表白

算法的实现步骤如下:

找到一个还没有对象, 且未向所有女生表白的男生m
找到一个m还没有表白过的女生n
如果n还没有对象, 则进行匹配
如果n有对象. 则判断n的喜欢列表. 若更喜欢当前对象, 则保持不变, 若更喜欢m则抛弃当前对象
直到m找到对象或向所有女生都表白过. 则回到第一步, 直到找不到这样的男生.

通过流程上来看, 这是一个时间复杂度O(n^2)的算法. 借用Go来简单实现一下:

package maintype people struct {Name        string   // 名字LikePeople  []string // 喜好列表CurrentLike int      // 后面算法记录当前表白对象时使用Friend      string   // 当前匹配对象
}func main() {// 分别构造男女队列boyArr := []*people{}girlArr := []*people{}for true {// 找到一个没有对象, 且未全部表白的男生var searchBoy *peoplefor _, boy := range boyArr {if boy.Friend != "" { // 当前男孩已经有对象了continue}// 男孩向所有女生表白过了if boy.CurrentLike >= len(boy.LikePeople) {continue}searchBoy = boybreak}if searchBoy == nil { // 已经全部有对象了, 结束break}// 男生向女生依次表白var i intfor i := searchBoy.CurrentLike; i < len(searchBoy.LikePeople); i++ {girlName := searchBoy.LikePeople[i]// 找到这个女孩girl := searchPeople(girlArr, girlName)if girl == nil { // 习惯了, 判下空continue}if girl.Friend == "" { // 若女孩没有对象, 则直接配对girl.Friend = searchBoy.NamesearchBoy.Friend = girl.Namebreak} else { // 若女孩有对象, 看下 girl 更喜欢谁searchBoyIdx := searchNameIndex(girl.LikePeople, searchBoy.Name)girlFriendIdx := searchNameIndex(girl.LikePeople, girl.Friend)if girlFriendIdx < searchBoyIdx { // 保持当前continue} else { // 重新组队girlFriend := searchPeople(boyArr, girl.Friend)if girlFriend != nil { // 分手了girlFriend.Friend = ""}girl.Friend = searchBoy.NamesearchBoy.Friend = girl.Name}}}searchBoy.CurrentLike = i}
}func searchPeople(peopleArr []*people, name string) *people {for _, people := range peopleArr {if people.Name == name {return people}}return nil
}func searchNameIndex(nameArr []string, name string) int {for i, tmpName := range nameArr {if tmpName == name {return i}}return -1
}

拢共也没有几行, 但是, 它可以保证完美匹配和稳定匹配么? 这简单的逻辑让我都有点不相信自己了, 不行, 得证明一下.

首先是完美匹配, 因为是进行的一对一匹配, 如果最终存在落单的女生, 那么就一定存在相同数量落单的男生. 同时, 因为在女生没有对象的时候, 会接收任意男生的表白, 可以得出落单的女生没有收到过任何男生的表白. 而在匹配的过程中, 男生会向喜欢列表中的所有女生依次进行表白, 得出落单的男生一定向所有女生进行过表白. 前后矛盾. 故不存在这样的情况. 因此结果为完美匹配.

那么结果是否是稳定匹配呢? 如果结果中存在不稳定因素, 既(m1, n1), (m2, n2), 其中m1更喜欢n2, 同时n2也更喜欢m1. 根据算法的规则, m1会先向n2表白, 此时, 如果n2单身, 则会接受表白, 如果n2已经接受了m2的表白, 则会毅然决然的选择分手, 和m1在一起. 即使后面n2再次收到m2的表白, 也不会和m1进行分手. 故不存在这样的不稳定因素. 因此结果为稳定匹配.