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            有向無環圖的最小路徑覆蓋問題

            Posted on 2011-04-05 16:04 Mato_No1 閱讀(2082) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 圖算法
            有向無環圖的最小路徑覆蓋問題包括兩種(設G是一個有向無環圖,S是G的一個路徑集合):
            (1)最小點路徑覆蓋:滿足對于G中所有的點i,i在S中的一條路徑中出現,且只在S中的一條路徑中出現,求S的最小容量;
            (2)最小邊路徑覆蓋:滿足對于G中所有的邊E,E在S中的一條路徑中出現,且只在S中的一條路徑中出現,求S的最小容量;

            (1)最小點路徑覆蓋:
            建立一個新圖,將G中的每個點i在新圖中拆成兩個點i'、i'',若G中存在邊<i, j>則在新圖中連邊<i', j''>,顯然新圖是一個二分圖,求其最大匹配,則(N-新圖最大匹配的值)就是最小點路徑覆蓋值。
            時間復雜度:O(NM)(Hungary算法)

            (2)最小邊路徑覆蓋:
            對于圖中的每個點i,設D[i]為(i的入度-i的出度)的值,按照D[i]將圖中的點分類:D[i]<0的稱為“入少出多”的點,D[i]>0的稱為“出少入多”的點,D[i]=0的稱為“入出相等”的點。則有:
            定理 有向無環圖中最小邊路徑覆蓋的值等于圖中所有“入少出多”的點的D值之和。
            證明:
            其實只需證明:對于一個至少有一條邊的有向無環圖,必然存在一條路徑,其起點是“入少出多”的點,終點是“出少入多”的點,所有中間點都是“入出相等”的點(只要不斷的在圖中找到并刪去這條路徑,直到圖中無邊為止)。
            首先,由于圖中無環,一定存在“入少出多”的點和“出少入多”的點。
            然后,假設圖中所有“入少出多”的點的后繼(注意:后繼和后代是不同的,一個點的后代包括這個點的所有后繼、所有后繼的后繼、所有后繼的后繼的后繼……)也都是“入少出多”的點,則圖中所有“入少出多”的點構成了一個閉合子圖,在這個閉合子圖中,由于所有的點都是“入少出多”的,整個子圖的入度之和必然大于出度之和,這是不可能的(有向圖中的所有點入度之和必然等于所有點出度之和),故可得:圖中必然存在至少一個“入少出多”的點,它有不是“入少出多”的后繼。
            這樣,在這些擁有不是“入少出多”的后繼的點中選擇一個點i,將其作為路徑的起點,在它的不是“入少出多”的后繼中選出一個點j,若j是“出少入多”的點,則邊<i, j>就是符合條件的一條路徑,結束;若這樣的j都是“入出相等”的點,則考慮j的后代:j的后繼可能都是“入少出多”的,但j的后代中必然存在至少一個點j'不是“入少出多”的(否則j的所有后代也將構成全都是“入少出多”的閉合子圖),這些j'中必然存在一個點的前趨i'是“入少出多”的,這是,需要舍棄原來的路徑,將i'作為新路徑的起點,j'作為新路徑的第一個中間點,繼續找;若j的后繼不全是“入少出多”的,則若其中有“出少入多”的則路徑已找到,若都是“入出相等”的,由于圖中無環,將路徑不斷延伸,最終一定會找到合法路徑。

            由此可得,對于任何有向無環圖,這樣的路徑都是存在的,也就證明了一開始的求最小邊路徑覆蓋值的定理。
            求有向無環圖最小邊路徑覆蓋值的時間復雜度:O(M+N)。
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