Алгоритм Форда-Фалкерсона: различия между версиями
| [досмотренная версия] | [досмотренная версия] |
ASA (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
ASA (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| Строка 63: | Строка 63: | ||
== Программная реализация алгоритма == | == Программная реализация алгоритма == | ||
=== Особенности реализации последовательного алгоритма === | === Особенности реализации последовательного алгоритма === | ||
=== Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | === Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма === | ||
=== | === Результаты прогонов === | ||
=== Выводы для классов архитектур === | === Выводы для классов архитектур === | ||
== Литература == | == Литература == | ||
Текущая версия от 06:31, 7 июля 2022
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Алгоритм Форда-Фалкерсона[1][2] (с последующими усовершенствованиями Эдмондса-Карпа[3] и Е. А. Диница[4]) предназначен для решения задачи о максимальном потоке в транспортной сети. Время работы алгоритма [math]\displaystyle{ O(n^2m) }[/math] (для алгоритма Диница). В случае целых пропускных способностей, не превосходящих [math]\displaystyle{ K }[/math], сложность [math]\displaystyle{ O(Km) }[/math] (для алгоритма Эдмондса–Карпа).
Алгоритм последовательно улучшает допустимый поток, находя так называемый дополняющий путь и увеличивая поток вдоль этого пути. Варианты алгоритма отличаются способом нахождения дополняющего пути.
- В исходном алгоритме Форда–Фалкерсона способ выбора дополняющего пути не уточнялся.
- В алгоритме Эдмондса-Карпа выбирается кратчайший дополняющий путь, для чего используется поиск в ширину на каждой итерации;
- В алгоритме Диница для выбора кратчайшего пути поддерживается «расслоение» графа, так что поиск в ширину выполняется значительно реже.
Математическое описание алгоритма
Математическая постановка задачи приведена в статье «Поиск максимального потока в транспортной сети», там же введены используемые обозначения.
Пусть задан некоторый допустимый поток [math]\displaystyle{ f }[/math]. Дополняющим путём называется последовательность рёбер [math]\displaystyle{ e_0 = (s, v_1), e_1 = (v_1, v_2), \ldots, e_k = (v_k, t) }[/math], каждое из которых обладает положительной остаточной пропускной способностью [math]\displaystyle{ c_f(e_i) = c(e_i) - f(e_i) \gt 0 }[/math].
Поток останется допустимым, если увеличить его вдоль дополняющего пути на число [math]\displaystyle{ \delta = \min \{ c(e_i) - f(e_i) \} \gt 0 }[/math], при этом величина потока возрастёт на то же число [math]\displaystyle{ \delta }[/math]. Для сохранения антисимметричности увеличение потока производится присваиваниями
- [math]\displaystyle{ f(e_i) \leftarrow f(e_i) + \delta, \quad f(e_i^R) \leftarrow f(e_i^R) - \delta, \quad i = \overline{0, k}. }[/math]
Если дополняющего пути не существует, то поток [math]\displaystyle{ f }[/math] является максимальным.
Вычислительное ядро алгоритма
Вычислительными ядрами, на которые приходится наибольший объём вычислений, являются:
- поиск в ширину;
- увеличение потока вдоль дополняющего пути.
Макроструктура алгоритма
Схема реализации последовательного алгоритма
Последовательная сложность алгоритма
В статье Эдмондса–Карпа[3] (теорема 1) доказано, что количество последовательно построенных кратчайших дополнительных путей не превосходит [math]\displaystyle{ m(n + 1)/2 = O(mn) }[/math]. Основными операциями алгоритма являются поиск в ширину сложностью [math]\displaystyle{ O(m) }[/math] и обновление потока вдоль дополняющего пути сложностью [math]\displaystyle{ O(n) }[/math].
В алгоритме Эдмондса–Карпа выполняются следующие операции:
- поиск в ширину и определение кратчайшего пути на каждой итерации, сложность [math]\displaystyle{ O(m + n) }[/math], общая сложность [math]\displaystyle{ O(m^2n) }[/math];
- обновление потока вдоль дополняющего пути, сложность [math]\displaystyle{ O(n) }[/math], общая сложность [math]\displaystyle{ O(n^2 m) }[/math].
Таким образом, общая сложность составляет [math]\displaystyle{ O(m^2n) }[/math].
В алгоритме Диница выполняются следующие операции:
- поиск кратчайшего пути и обновление потока вдоль дополняющего пути на каждой итерации, сложность [math]\displaystyle{ O(n) }[/math], общая сложность [math]\displaystyle{ O(mn^2) }[/math];
- обновление расслоения на каждой итерации, сложность [math]\displaystyle{ O(1) }[/math], общая сложность [math]\displaystyle{ O(mn) }[/math];
- поиск в ширину для построения нового расслоения, сложность [math]\displaystyle{ O(m) }[/math], число построений не более [math]\displaystyle{ n }[/math], общая сложность [math]\displaystyle{ O(mn) }[/math].
Таким образом, общая сложность составляет [math]\displaystyle{ O(mn^2) }[/math].
Информационный граф
Далее представлен информационный граф алгоритма, демонстрирующий описанные уровни параллелизма. Информационный граф алгоритма — ориентированный граф, состоящий из вершин, соответствующих операциям алгоритма, и направленных дуг, соответствующих передаче данных (результаты одних операций передаются в качестве аргументов другим операциям) между ними.

Ресурс параллелизма алгоритма
Основной объём вычислений в алгоритме Форда-Фалкерсона приходится на поиск путей от источника к стоку. С этой целью может применяться поиск в ширину, который хорошо распараллеливается. Наилучших результатов можно достичь, если распределить вершины между узлами по слоям примерно одинаковой толщины, так что в каждом слое вершины были бы примерно на одинаковом удалении от источника (такое расслоение также можно найти поиском в ширину).
Входные и выходные данные алгоритма
Свойства алгоритма
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Результаты прогонов
Выводы для классов архитектур
Литература
- ↑ Ford, L R, Jr., and D R Fulkerson. “Maximal Flow Through a Network.” Canadian Journal of Mathematics 8 (1956): 399–404. doi:10.4153/CJM-1956-045-5.
- ↑ Ford, L R, Jr., and D R Fulkerson. “A Simple Algorithm for Finding Maximal Network Flows and an Application to the Hitchcock Problem.” Canadian Journal of Mathematics 9 (1957): 210–18.
- ↑ 3,0 3,1 Edmonds, Jack, and Richard M Karp. “Theoretical Improvements in Algorithmic Efficiency for Network Flow Problems.” Journal of the ACM 19, no. 2 (April 1972): 248–64. doi:10.1145/321694.321699.
- ↑ Диниц, Е. А. “Алгоритм решения задачи о максимальном потоке в сети со степенной оценкой.” Доклады АН СССР 194, no. 4 (1970): 754–57.