差分约束

差分约束系统 是一种特殊的 n 元一次不等式组,它包含 n 个变量 x_1,x_2,...,x_n 以及 m 个约束条件,每个约束条件是由两个其中的变量做差构成的,形如 x_i-x_j\leq c_k ,其中 1 \leq i, j \leq n, i \neq j, 1 \leq k \leq m 并且 c_k 是常数(可以是非负数,也可以是负数)。我们要解决的问题是:求一组解 x_1=a_1,x_2=a_2,...,x_n=a_n ,使得所有的约束条件得到满足,否则判断出无解。

差分约束系统中的每个约束条件 x_i-x_j\leq c_k 都可以变形成 x_i\leq x_j+c_k ,这与单源最短路中的三角形不等式 dist[y]\leq dist[x]+z 非常相似。因此,我们可以把每个变量 x_i 看做图中的一个结点,对于每个约束条件 x_i-x_j\leq c_k ,从结点 j 向结点 i 连一条长度为 c_k 的有向边。

注意到,如果 \{a_1,a_2,...,a_n\} 是该差分约束系统的一组解,那么对于任意的常数 d \{a_1+d,a_2+d,...,a_n+d\} 显然也是该差分约束系统的一组解,因为这样做差后 d 刚好被消掉。

dist[0]=0 并向每一个点连一条权重为 0 边,跑单源最短路,若图中存在负环,则给定的差分约束系统无解,否则, x_i=dist[i] 为该差分约束系统的一组解。

一般使用 Bellman-Ford 或队列优化的 Bellman-Ford(俗称 SPFA,在某些随机图跑得很快)判断图中是否存在负环,最坏时间复杂度为 O(nm)

常用变形技巧

例题 luogu P1993 小 K 的农场

题目大意:求解差分约束系统,有 m 条约束条件,每条都为形如 x_a-x_b\geq c_k x_a-x_b\leq c_k x_a=x_b 的形式,判断该差分约束系统有没有解。

题意 转化 连边
x_a - x_b \geq c x_b - x_a \leq -c add(a, b, -c);
x_a - x_b \leq c x_a - x_b \leq c add(b, a, c);
x_a = x_b x_a - x_b \leq 0, \space x_b - x_a \leq 0 add(b, a, 0), add(a, b, 0);

跑判断负环,如果不存在负环,输出 Yes ,否则输出 No

参考代码
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#include <algorithm>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <queue>
using namespace std;
struct edge {
  int v, w, next;
} e[40005];
int head[10005], vis[10005], tot[10005], cnt;
long long ans, dist[10005];
queue<int> q;
inline void addedge(int u, int v, int w) {
  e[++cnt].v = v;
  e[cnt].w = w;
  e[cnt].next = head[u];
  head[u] = cnt;
}
int main() {
  int n, m;
  scanf("%d%d", &n, &m);
  for (int i = 1; i <= m; i++) {
    int op, x, y, z;
    scanf("%d", &op);
    if (op == 1) {
      scanf("%d%d%d", &x, &y, &z);
      addedge(y, x, z);
    } else if (op == 2) {
      scanf("%d%d%d", &x, &y, &z);
      addedge(x, y, -z);
    } else {
      scanf("%d%d", &x, &y);
      addedge(x, y, 0);
      addedge(y, x, 0);
    }
  }
  for (int i = 1; i <= n; i++) addedge(0, i, 0);
  memset(dist, -0x3f, sizeof(dist));
  dist[0] = 0;
  vis[0] = 1;
  q.push(0);
  while (!q.empty()) {
    int cur = q.front();
    q.pop();
    vis[cur] = 0;
    for (int i = head[cur]; i; i = e[i].next)
      if (dist[cur] + e[i].w > dist[e[i].v]) {
        dist[e[i].v] = dist[cur] + e[i].w;
        if (!vis[e[i].v]) {
          vis[e[i].v] = 1;
          q.push(e[i].v);
          tot[e[i].v]++;
          if (tot[e[i].v] >= n) {
            puts("No");
            return 0;
          }
        }
      }
  }
  puts("Yes");
  return 0;
}

例题 P4926[1007]倍杀测量者

不考虑二分等其他的东西,这里只论述差分系统 \frac{x_i}{x_j}\leq c_k 的求解方法。

对每个 x_i,x_j c_k 取一个 \log 就可以把乘法变成加法运算,即 \log x_i-\log x_j \leq \log c_k ,这样就可以用差分约束解决了。

Bellman-Ford 判负环代码实现

下面是用 Bellman-Ford 算法判断图中是否存在负环的代码实现,请在调用前先保证图是连通的。

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bool Bellman_Ford() {
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    bool jud = false;
    for (int j = 1; j <= n; j++)
      for (int k = h[j]; ~k; k = nxt[k])
        if (dist[j] > dist[p[k]] + w[k])
          dist[j] = dist[p[k]] + w[k], jud = true;
    if (!jud) break;
  }
  for (int i = 1; i <= n; i++)
    for (int j = h[i]; ~j; j = nxt[j])
      if (dist[i] > dist[p[j]] + w[j]) return false;
  return true;
}

习题

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POJ 1364 King

POJ 2983 Is the Information Reliable?


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