پیدا کردن برش s-t کمینه — راهنمای کاربردی

در یک شبکه جریان، یک برش s-t نیازمند آن است که مبدا s و مقصد t در زیر مجموعه‌های متفاوتی قرار داشته باشند و شامل یال‌هایی است که از مبدا به سمت مقصد می‌روند. ظرفیت برش s-t به وسیله مجموعه ظرفیت‌های رأس‌ها در مجموعه برش تعریف شده است.

مسئله تشریح شده در اینجا در واقع مسئله پیدا کردن کمینه ظرفیت s-t از شبکه داده شده است. خروجی مورد انتظار، همه یال‌های برش کمینه است. برای مثال، شبکه جریان زیر مفروض است. برش‌های s-t عبارتند از {۰ ,۱}, {۰, ۲}}, {{۰, ۲}, {۱, ۲}, {۱, ۳}}, و دیگر موارد. برش کمینه s-t عبارت است از {{۱, ۳}, {۴, ۳}, {۴ ۵}} که ظرفیتی برابر با ۱۲+۷+۴ = ۲۳ دارد.

برش کمینه و جریان بیشینه

این مسئله را می‌توان با استفاده از «الگوریتم فورد-فولکرسون» (Ford-Fulkerson Algorithm) حل کرد. این الگوریتم بر مبنای نظریه جریان بشینه برش کمینه (max-flow min-cut) است. نظریه جریان بیشینه برش کمینه می‌گوید که در یک شبکه جریان، میزان جریان بیشینه برابر با ظرفیت برش کمینه است. از الگوریم فورد فولکرسون می‌توان ظرفیت برش کمینه را به دست آورد. برای جاپ کردن همه رأس‌هایی که برش کمینه را شکل می‌دهند نیز می‌توان از «گراف باقیمانده» (Residual Graph) استفاده کرد. در ادامه، گام‌های لازم برای چاپ کردن همه برش‌های کمینه بیان شده است.

  1. الگوریتم فورد فولکرسون را اجرا و گراف باقیمانده نهایی را در نظر بگیر.
  2. مجموع رأس‌هایی که از مبدا در گراف باقیمانده دسترسی‌پذیر هستند را پیدا کن.
  3. همه رأس‌هایی که از یک رأس دسترسی‌پذیر به یک راس غیر دسترسی‌پذیر هستند، یال‌های برش کمینه محسوب می‌شوند. همه چنین رأس‌هایی را چاپ کن.

در ادامه، پیاده‌سازی رویکرد بالا در زبان‌های برنامه‌نویسی گوناگون ارائه شده است.

پیاده‌سازی الگوریتم فورد فولکرسون برای حل مسئله پیدا کردن برش s-t کمینه در ++C

// C++ program for finding minimum cut using Ford-Fulkerson 
#include <iostream> 
#include <limits.h> 
#include <string.h> 
#include <queue> 
using namespace std; 
  
// Number of vertices in given graph 
#define V 6 
  
/* Returns true if there is a path from source 's' to sink 't' in 
  residual graph. Also fills parent[] to store the path */
int bfs(int rGraph[V][V], int s, int t, int parent[]) 
{ 
    // Create a visited array and mark all vertices as not visited 
    bool visited[V]; 
    memset(visited, 0, sizeof(visited)); 
  
    // Create a queue, enqueue source vertex and mark source vertex 
    // as visited 
    queue <int> q; 
    q.push(s); 
    visited[s] = true; 
    parent[s] = -1; 
  
    // Standard BFS Loop 
    while (!q.empty()) 
    { 
        int u = q.front(); 
        q.pop(); 
  
        for (int v=0; v<V; v++) 
        { 
            if (visited[v]==false && rGraph[u][v] > 0) 
            { 
                q.push(v); 
                parent[v] = u; 
                visited[v] = true; 
            } 
        } 
    } 
  
    // If we reached sink in BFS starting from source, then return 
    // true, else false 
    return (visited[t] == true); 
} 
  
// A DFS based function to find all reachable vertices from s.  The function 
// marks visited[i] as true if i is reachable from s.  The initial values in 
// visited[] must be false. We can also use BFS to find reachable vertices 
void dfs(int rGraph[V][V], int s, bool visited[]) 
{ 
    visited[s] = true; 
    for (int i = 0; i < V; i++) 
       if (rGraph[s][i] && !visited[i]) 
           dfs(rGraph, i, visited); 
} 
  
// Prints the minimum s-t cut 
void minCut(int graph[V][V], int s, int t) 
{ 
    int u, v; 
  
    // Create a residual graph and fill the residual graph with 
    // given capacities in the original graph as residual capacities 
    // in residual graph 
    int rGraph[V][V]; // rGraph[i][j] indicates residual capacity of edge i-j 
    for (u = 0; u < V; u++) 
        for (v = 0; v < V; v++) 
             rGraph[u][v] = graph[u][v]; 
  
    int parent[V];  // This array is filled by BFS and to store path 
  
    // Augment the flow while there is a path from source to sink 
    while (bfs(rGraph, s, t, parent)) 
    { 
        // Find minimum residual capacity of the edhes along the 
        // path filled by BFS. Or we can say find the maximum flow 
        // through the path found. 
        int path_flow = INT_MAX; 
        for (v=t; v!=s; v=parent[v]) 
        { 
            u = parent[v]; 
            path_flow = min(path_flow, rGraph[u][v]); 
        } 
  
        // update residual capacities of the edges and reverse edges 
        // along the path 
        for (v=t; v != s; v=parent[v]) 
        { 
            u = parent[v]; 
            rGraph[u][v] -= path_flow; 
            rGraph[v][u] += path_flow; 
        } 
    } 
  
    // Flow is maximum now, find vertices reachable from s 
    bool visited[V]; 
    memset(visited, false, sizeof(visited)); 
    dfs(rGraph, s, visited); 
  
    // Print all edges that are from a reachable vertex to 
    // non-reachable vertex in the original graph 
    for (int i = 0; i < V; i++) 
      for (int j = 0; j < V; j++) 
         if (visited[i] && !visited[j] && graph[i][j]) 
              cout << i << " - " << j << endl; 
  
    return; 
} 
  
// Driver program to test above functions 
int main() 
{ 
    // Let us create a graph shown in the above example 
    int graph[V][V] = { {0, 16, 13, 0, 0, 0}, 
                        {۰, ۰, ۱۰, ۱۲, ۰, ۰}, 
                        {۰, ۴, ۰, ۰, ۱۴, ۰}, 
                        {۰, ۰, ۹, ۰, ۰, ۲۰}, 
                        {۰, ۰, ۰, ۷, ۰, ۴}, 
                        {۰, ۰, ۰, ۰, ۰, ۰} 
                      }; 
  
    minCut(graph, 0, 5); 
  
    return 0;

پیاده‌سازی الگوریتم فورد فولکرسون برای حل مسئله پیدا کردن برش s-t کمینه در جاوا

// Java program for finding min-cut in the given graph 
import java.util.LinkedList; 
import java.util.Queue; 
  
public class Graph { 
          
    // Returns true if there is a path 
    // from source 's' to sink 't' in residual  
    // graph. Also fills parent[] to store the path  
    private static boolean bfs(int[][] rGraph, int s, 
                                int t, int[] parent) { 
          
        // Create a visited array and mark  
        // all vertices as not visited      
        boolean[] visited = new boolean[rGraph.length]; 
          
        // Create a queue, enqueue source vertex 
        // and mark source vertex as visited      
        Queue<Integer> q = new LinkedList<Integer>(); 
        q.add(s); 
        visited[s] = true; 
        parent[s] = -1; 
          
        // Standard BFS Loop      
        while (!q.isEmpty()) { 
            int v = q.poll(); 
            for (int i = 0; i < rGraph.length; i++) { 
                if (rGraph[v][i] > 0 && !visited[i]) { 
                    q.offer(i); 
                    visited[i] = true; 
                    parent[i] = v; 
                } 
            } 
        } 
          
        // If we reached sink in BFS starting  
        // from source, then return true, else false      
        return (visited[t] == true); 
    } 
      
    // A DFS based function to find all reachable  
    // vertices from s. The function marks visited[i]  
    // as true if i is reachable from s. The initial  
    // values in visited[] must be false. We can also  
    // use BFS to find reachable vertices 
    private static void dfs(int[][] rGraph, int s, 
                                boolean[] visited) { 
        visited[s] = true; 
        for (int i = 0; i < rGraph.length; i++) { 
                if (rGraph[s][i] > 0 && !visited[i]) { 
                    dfs(rGraph, i, visited); 
                } 
        } 
    } 
  
    // Prints the minimum s-t cut 
    private static void minCut(int[][] graph, int s, int t) { 
        int u,v; 
          
        // Create a residual graph and fill the residual  
        // graph with given capacities in the original  
        // graph as residual capacities in residual graph 
        // rGraph[i][j] indicates residual capacity of edge i-j 
        int[][] rGraph = new int[graph.length][graph.length];  
        for (int i = 0; i < graph.length; i++) { 
            for (int j = 0; j < graph.length; j++) { 
                rGraph[i][j] = graph[i][j]; 
            } 
        } 
  
        // This array is filled by BFS and to store path 
        int[] parent = new int[graph.length];  
          
        // Augment the flow while tere is path from source to sink      
        while (bfs(rGraph, s, t, parent)) { 
              
            // Find minimum residual capacity of the edhes  
            // along the path filled by BFS. Or we can say  
            // find the maximum flow through the path found. 
            int pathFlow = Integer.MAX_VALUE;          
            for (v = t; v != s; v = parent[v]) { 
                u = parent[v]; 
                pathFlow = Math.min(pathFlow, rGraph[u][v]); 
            } 
              
            // update residual capacities of the edges and  
            // reverse edges along the path 
            for (v = t; v != s; v = parent[v]) { 
                u = parent[v]; 
                rGraph[u][v] = rGraph[u][v] - pathFlow; 
                rGraph[v][u] = rGraph[v][u] + pathFlow; 
            } 
        } 
          
        // Flow is maximum now, find vertices reachable from s      
        boolean[] isVisited = new boolean[graph.length];      
        dfs(rGraph, s, isVisited); 
          
        // Print all edges that are from a reachable vertex to 
        // non-reachable vertex in the original graph      
        for (int i = 0; i < graph.length; i++) { 
            for (int j = 0; j < graph.length; j++) { 
                if (graph[i][j] > 0 && isVisited[i] && !isVisited[j]) { 
                    System.out.println(i + " - " + j); 
                } 
            } 
        } 
    } 
  
    //Driver Program 
    public static void main(String args[]) { 
          
        // Let us create a graph shown in the above example 
        int graph[][] = { {0, 16, 13, 0, 0, 0}, 
                {۰, ۰, ۱۰, ۱۲, ۰, ۰}, 
                {۰, ۴, ۰, ۰, ۱۴, ۰}, 
                {۰, ۰, ۹, ۰, ۰, ۲۰}, 
                {۰, ۰, ۰, ۷, ۰, ۴}, 
                {۰, ۰, ۰, ۰, ۰, ۰} 
            }; 
        minCut(graph, 0, 5); 
    } 
} 
// This code is contributed by Himanshu Shekhar

پیاده‌سازی الگوریتم فورد فولکرسون برای حل مسئله پیدا کردن برش s-t کمینه در پایتون

# Python program for finding min-cut in the given graph 
# Complexity : (E*(V^3)) 
# Total augmenting path = VE and BFS with adj matrix takes :V^2 times 
  
from collections import defaultdict 
  
# This class represents a directed graph using adjacency matrix representation 
class Graph: 
  
    def __init__(self,graph): 
        self.graph = graph # residual graph 
        self.org_graph = [i[:] for i in graph] 
        self. ROW = len(graph) 
        self.COL = len(graph[0]) 
  
  
    '''Returns true if there is a path from source 's' to sink 't' in 
    residual graph. Also fills parent[] to store the path '''
    def BFS(self,s, t, parent): 
  
        # Mark all the vertices as not visited 
        visited =[False]*(self.ROW) 
  
        # Create a queue for BFS 
        queue=[] 
  
        # Mark the source node as visited and enqueue it 
        queue.append(s) 
        visited[s] = True
  
         # Standard BFS Loop 
        while queue: 
  
            #Dequeue a vertex from queue and print it 
            u = queue.pop(0) 
  
            # Get all adjacent vertices of the dequeued vertex u 
            # If a adjacent has not been visited, then mark it 
            # visited and enqueue it 
            for ind, val in enumerate(self.graph[u]): 
                if visited[ind] == False and val > 0 : 
                    queue.append(ind) 
                    visited[ind] = True
                    parent[ind] = u 
  
        # If we reached sink in BFS starting from source, then return 
        # true, else false 
        return True if visited[t] else False
  
  
    # Returns the min-cut of the given graph 
    def minCut(self, source, sink): 
  
        # This array is filled by BFS and to store path 
        parent = [-1]*(self.ROW) 
  
        max_flow = 0 # There is no flow initially 
  
        # Augment the flow while there is path from source to sink 
        while self.BFS(source, sink, parent) : 
  
            # Find minimum residual capacity of the edges along the 
            # path filled by BFS. Or we can say find the maximum flow 
            # through the path found. 
            path_flow = float("Inf") 
            s = sink 
            while(s !=  source): 
                path_flow = min (path_flow, self.graph[parent[s]][s]) 
                s = parent[s] 
  
            # Add path flow to overall flow 
            max_flow +=  path_flow 
  
            # update residual capacities of the edges and reverse edges 
            # along the path 
            v = sink 
            while(v !=  source): 
                u = parent[v] 
                self.graph[u][v] -= path_flow 
                self.graph[v][u] += path_flow 
                v = parent[v] 
  
        # print the edges which initially had weights 
        # but now have 0 weight 
        for i in range(self.ROW): 
            for j in range(self.COL): 
                if self.graph[i][j] == 0 and self.org_graph[i][j] > 0: 
                    print str(i) + " - " + str(j) 
  
  
# Create a graph given in the above diagram 
graph = [[0, 16, 13, 0, 0, 0], 
        [۰, ۰, ۱۰, ۱۲, ۰, ۰], 
        [۰, ۴, ۰, ۰, ۱۴, ۰], 
        [۰, ۰, ۹, ۰, ۰, ۲۰], 
        [۰, ۰, ۰, ۷, ۰, ۴], 
        [۰, ۰, ۰, ۰, ۰, ۰]] 
  
g = Graph(graph) 
  
source = 0; sink = 5
  
g.minCut(source, sink) 
  
# This code is contributed by Neelam Yadav

پیاده‌سازی الگوریتم فورد فولکرسون برای حل مسئله پیدا کردن برش s-t کمینه در #C

// C# program for finding min-cut in the given graph 
using System; 
using System.Collections.Generic; 
  
class Graph 
{ 
          
    // Returns true if there is a path 
    // from source 's' to sink 't' in residual  
    // graph. Also fills parent[] to store the path  
    private static bool bfs(int[,] rGraph, int s, 
                            int t, int[] parent)  
    { 
          
        // Create a visited array and mark  
        // all vertices as not visited      
        bool[] visited = new bool[rGraph.Length]; 
          
        // Create a queue, enqueue source vertex 
        // and mark source vertex as visited      
        Queue<int> q = new Queue<int>(); 
        q.Enqueue(s); 
        visited[s] = true; 
        parent[s] = -1; 
          
        // Standard BFS Loop      
        while (q.Count != 0)  
        { 
            int v = q.Dequeue(); 
            for (int i = 0; i < rGraph.GetLength(0); i++)  
            { 
                if (rGraph[v,i] > 0 && !visited[i])  
                { 
                    q.Enqueue(i); 
                    visited[i] = true; 
                    parent[i] = v; 
                } 
            } 
        } 
          
        // If we reached sink in BFS starting  
        // from source, then return true, else false      
        return (visited[t] == true); 
    } 
      
    // A DFS based function to find all reachable  
    // vertices from s. The function marks visited[i]  
    // as true if i is reachable from s. The initial  
    // values in visited[] must be false. We can also  
    // use BFS to find reachable vertices 
    private static void dfs(int[,] rGraph, int s, 
                            bool[] visited)  
    { 
        visited[s] = true; 
        for (int i = 0; i < rGraph.GetLength(0); i++)  
        { 
            if (rGraph[s,i] > 0 && !visited[i]) 
            { 
                dfs(rGraph, i, visited); 
            } 
        } 
    } 
  
    // Prints the minimum s-t cut 
    private static void minCut(int[,] graph, int s, int t)  
    { 
        int u, v; 
          
        // Create a residual graph and fill the residual  
        // graph with given capacities in the original  
        // graph as residual capacities in residual graph 
        // rGraph[i,j] indicates residual capacity of edge i-j 
        int[,] rGraph = new int[graph.Length,graph.Length];  
        for (int i = 0; i < graph.GetLength(0); i++) 
        { 
            for (int j = 0; j < graph.GetLength(1); j++) 
            { 
                rGraph[i, j] = graph[i, j]; 
            } 
        } 
  
        // This array is filled by BFS and to store path 
        int[] parent = new int[graph.Length];  
          
        // Augment the flow while there is path 
        // from source to sink      
        while (bfs(rGraph, s, t, parent))  
        { 
              
            // Find minimum residual capacity of the edhes  
            // along the path filled by BFS. Or we can say  
            // find the maximum flow through the path found. 
            int pathFlow = int.MaxValue;          
            for (v = t; v != s; v = parent[v])  
            { 
                u = parent[v]; 
                pathFlow = Math.Min(pathFlow, rGraph[u, v]); 
            } 
              
            // update residual capacities of the edges and  
            // reverse edges along the path 
            for (v = t; v != s; v = parent[v]) 
            { 
                u = parent[v]; 
                rGraph[u, v] = rGraph[u, v] - pathFlow; 
                rGraph[v, u] = rGraph[v, u] + pathFlow; 
            }  
        } 
          
        // Flow is maximum now, find vertices reachable from s      
        bool[] isVisited = new bool[graph.Length];      
        dfs(rGraph, s, isVisited); 
          
        // Print all edges that are from a reachable vertex to 
        // non-reachable vertex in the original graph      
        for (int i = 0; i < graph.GetLength(0); i++)  
        { 
            for (int j = 0; j < graph.GetLength(1); j++) 
            { 
                if (graph[i, j] > 0 &&  
                    isVisited[i] && !isVisited[j]) 
                { 
                    Console.WriteLine(i + " - " + j); 
                } 
            } 
        } 
    } 
  
    // Driver Code 
    public static void Main(String []args) 
    { 
          
        // Let us create a graph shown  
        // in the above example 
        int [,]graph = {{0, 16, 13, 0, 0, 0}, 
                        {۰, ۰, ۱۰, ۱۲, ۰, ۰}, 
                        {۰, ۴, ۰, ۰, ۱۴, ۰}, 
                        {۰, ۰, ۹, ۰, ۰, ۲۰}, 
                        {۰, ۰, ۰, ۷, ۰, ۴}, 
                        {۰, ۰, ۰, ۰, ۰, ۰}}; 
        minCut(graph, 0, 5); 
    } 
} 
  
// This code is contributed by PrinciRaj1992

خروجی قطعه کد بالا، به صورت زیر است.

۱ - ۳
۴ - ۳
۴ - ۵

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

منبع [+]

یک ستارهدو ستارهسه ستارهچهار ستارهپنج ستاره (No Ratings Yet)
Loading...

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *