一般图最大匹配

带花树算法(Blossom Algorithm)

开花算法(Blossom Algorithm,也被称做带花树)可以解决一般图最大匹配问题(maximum cardinality matchings)。此算法由 Jack Edmonds 在 1961 年提出。 经过一些修改后也可以解决一般图最大权匹配问题。 此算法是第一个给出证明说最大匹配有多项式复杂度。

一般图匹配和二分图匹配(bipartite matching)不同的是,图可能存在奇环。

以此图为例,若直接取反(匹配边和未匹配边对调),会使得取反后的 M 不合法,某些点会出现在两条匹配上,而问题就出在奇环。

下面考虑一般图的增广算法。 从二分图的角度出发,每次枚举一个未匹配点,设出发点为根,标记为 "o" ,接下来交错标记 "o""i" ,不难发现 "i""o" 这段边是匹配边。

假设当前点是 v ,相邻点为 u

case 1: u 未拜访过,当 u 是未匹配点,则找到增广路径,否则从 u 的配偶找增广路。

case 2: u 已拜访过,遇到标记 "o" 代表需要 缩花 ,否则代表遇到偶环,跳过。

遇到偶环的情况,将他视为二分图解决,故可忽略。 缩花 后,再新图中继续找增广路。

general-matching-2

设原图为 G 缩花 后的图为 G' ,我们只需要证明:

  1. G 存在增广路, G' 也存在。
  2. G' 存在增广路, G 也存在。

general-matching-3

设非树边(形成环的那条边)为 (u,v) ,定义花根 h=LCA(u,v) 。 奇环是交替的,有且仅有 h 的两条邻边类型相同,都是非匹配边。 那么进入 h 的树边肯定是匹配边,环上除了 h 以外其他点往环外的边都是非匹配边。

观察可知,从环外的边出去有两种情况,顺时针或逆时针。

general-matching-4

于是 缩花不缩花 都不影响正确性。

实作上找到 以后我们不需要真的 缩花 ,可以用数组纪录每个点在以哪个点为根的那朵花中。

复杂度分析 Complexity Analysis

每次找增广路,遍历所有边,遇到 会维护 上的点, O(|E|^2) 。 枚举所有未匹配点做增广路,总共 O(|V||E|^2)

代码

  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
 10
 11
 12
 13
 14
 15
 16
 17
 18
 19
 20
 21
 22
 23
 24
 25
 26
 27
 28
 29
 30
 31
 32
 33
 34
 35
 36
 37
 38
 39
 40
 41
 42
 43
 44
 45
 46
 47
 48
 49
 50
 51
 52
 53
 54
 55
 56
 57
 58
 59
 60
 61
 62
 63
 64
 65
 66
 67
 68
 69
 70
 71
 72
 73
 74
 75
 76
 77
 78
 79
 80
 81
 82
 83
 84
 85
 86
 87
 88
 89
 90
 91
 92
 93
 94
 95
 96
 97
 98
 99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
// graph
template <typename T>
class graph {
 public:
  struct edge {
    int from;
    int to;
    T cost;
  };
  vector<edge> edges;
  vector<vector<int> > g;
  int n;
  graph(int _n) : n(_n) { g.resize(n); }
  virtual int add(int from, int to, T cost) = 0;
};

// undirectedgraph
template <typename T>
class undirectedgraph : public graph<T> {
 public:
  using graph<T>::edges;
  using graph<T>::g;
  using graph<T>::n;

  undirectedgraph(int _n) : graph<T>(_n) {}
  int add(int from, int to, T cost = 1) {
    assert(0 <= from && from < n && 0 <= to && to < n);
    int id = (int)edges.size();
    g[from].push_back(id);
    g[to].push_back(id);
    edges.push_back({from, to, cost});
    return id;
  }
};

// blossom / find_max_unweighted_matching
template <typename T>
vector<int> find_max_unweighted_matching(const undirectedgraph<T> &g) {
  std::mt19937 rng(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count());
  vector<int> match(g.n, -1);   // 匹配
  vector<int> aux(g.n, -1);     // 时间戳记
  vector<int> label(g.n);       // "o" or "i"
  vector<int> orig(g.n);        // 花根
  vector<int> parent(g.n, -1);  // 父节点
  queue<int> q;
  int aux_time = -1;

  auto lca = [&](int v, int u) {
    aux_time++;
    while (true) {
      if (v != -1) {
        if (aux[v] == aux_time) {  // 找到拜访过的点 也就是LCA
          return v;
        }
        aux[v] = aux_time;
        if (match[v] == -1) {
          v = -1;
        } else {
          v = orig[parent[match[v]]];  // 以匹配点的父节点继续寻找
        }
      }
      swap(v, u);
    }
  };  // lca

  auto blossom = [&](int v, int u, int a) {
    while (orig[v] != a) {
      parent[v] = u;
      u = match[v];
      if (label[u] == 1) {  // 初始点设为"o" 找增广路
        label[u] = 0;
        q.push(u);
      }
      orig[v] = orig[u] = a;  // 缩花
      v = parent[u];
    }
  };  // blossom

  auto augment = [&](int v) {
    while (v != -1) {
      int pv = parent[v];
      int next_v = match[pv];
      match[v] = pv;
      match[pv] = v;
      v = next_v;
    }
  };  // augment

  auto bfs = [&](int root) {
    fill(label.begin(), label.end(), -1);
    iota(orig.begin(), orig.end(), 0);
    while (!q.empty()) {
      q.pop();
    }
    q.push(root);
    // 初始点设为 "o", 这里以"0"代替"o", "1"代替"i"
    label[root] = 0;
    while (!q.empty()) {
      int v = q.front();
      q.pop();
      for (int id : g.g[v]) {
        auto &e = g.edges[id];
        int u = e.from ^ e.to ^ v;
        if (label[u] == -1) {  // 找到未拜访点
          label[u] = 1;        // 标记 "i"
          parent[u] = v;
          if (match[u] == -1) {  // 找到未匹配点
            augment(u);          // 寻找增广路径
            return true;
          }
          // 找到已匹配点 将与她匹配的点丢入queue 延伸交错树
          label[match[u]] = 0;
          q.push(match[u]);
          continue;
        } else if (label[u] == 0 && orig[v] != orig[u]) {
          // 找到已拜访点 且标记同为"o" 代表找到"花"
          int a = lca(orig[v], orig[u]);
          // 找LCA 然后缩花
          blossom(u, v, a);
          blossom(v, u, a);
        }
      }
    }
    return false;
  };  // bfs

  auto greedy = [&]() {
    vector<int> order(g.n);
    // 随机打乱 order
    iota(order.begin(), order.end(), 0);
    shuffle(order.begin(), order.end(), rng);

    // 将可以匹配的点匹配
    for (int i : order) {
      if (match[i] == -1) {
        for (auto id : g.g[i]) {
          auto &e = g.edges[id];
          int to = e.from ^ e.to ^ i;
          if (match[to] == -1) {
            match[i] = to;
            match[to] = i;
            break;
          }
        }
      }
    }
  };  // greedy

  // 一开始先随机匹配
  greedy();
  // 对未匹配点找增广路
  for (int i = 0; i < g.n; i++) {
    if (match[i] == -1) {
      bfs(i);
    }
  }
  return match;
}

习题

UOJ #79. 一般图最大匹配
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
 10
 11
 12
 13
 14
 15
 16
 17
 18
 19
 20
 21
 22
 23
 24
 25
 26
 27
 28
 29
 30
 31
 32
 33
 34
 35
 36
 37
 38
 39
 40
 41
 42
 43
 44
 45
 46
 47
 48
 49
 50
 51
 52
 53
 54
 55
 56
 57
 58
 59
 60
 61
 62
 63
 64
 65
 66
 67
 68
 69
 70
 71
 72
 73
 74
 75
 76
 77
 78
 79
 80
 81
 82
 83
 84
 85
 86
 87
 88
 89
 90
 91
 92
 93
 94
 95
 96
 97
 98
 99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

// graph
template <typename T>
class graph {
 public:
  struct edge {
    int from;
    int to;
    T cost;
  };
  vector<edge> edges;
  vector<vector<int> > g;
  int n;
  graph(int _n) : n(_n) { g.resize(n); }
  virtual int add(int from, int to, T cost) = 0;
};

// undirectedgraph
template <typename T>
class undirectedgraph : public graph<T> {
 public:
  using graph<T>::edges;
  using graph<T>::g;
  using graph<T>::n;

  undirectedgraph(int _n) : graph<T>(_n) {}
  int add(int from, int to, T cost = 1) {
    assert(0 <= from && from < n && 0 <= to && to < n);
    int id = (int)edges.size();
    g[from].push_back(id);
    g[to].push_back(id);
    edges.push_back({from, to, cost});
    return id;
  }
};

// blossom / find_max_unweighted_matching
template <typename T>
vector<int> find_max_unweighted_matching(const undirectedgraph<T> &g) {
  std::mt19937 rng(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count());
  vector<int> match(g.n, -1);   // 匹配
  vector<int> aux(g.n, -1);     // 时间戳记
  vector<int> label(g.n);       // "o" or "i"
  vector<int> orig(g.n);        // 花根
  vector<int> parent(g.n, -1);  // 父节点
  queue<int> q;
  int aux_time = -1;

  auto lca = [&](int v, int u) {
    aux_time++;
    while (true) {
      if (v != -1) {
        if (aux[v] == aux_time) {  // 找到拜访过的点 也就是LCA
          return v;
        }
        aux[v] = aux_time;
        if (match[v] == -1) {
          v = -1;
        } else {
          v = orig[parent[match[v]]];  // 以匹配点的父节点继续寻找
        }
      }
      swap(v, u);
    }
  };  // lca

  auto blossom = [&](int v, int u, int a) {
    while (orig[v] != a) {
      parent[v] = u;
      u = match[v];
      if (label[u] == 1) {  // 初始点设为"o" 找增广路
        label[u] = 0;
        q.push(u);
      }
      orig[v] = orig[u] = a;  // 缩花
      v = parent[u];
    }
  };  // blossom

  auto augment = [&](int v) {
    while (v != -1) {
      int pv = parent[v];
      int next_v = match[pv];
      match[v] = pv;
      match[pv] = v;
      v = next_v;
    }
  };  // augment

  auto bfs = [&](int root) {
    fill(label.begin(), label.end(), -1);
    iota(orig.begin(), orig.end(), 0);
    while (!q.empty()) {
      q.pop();
    }
    q.push(root);
    // 初始点设为 "o", 这里以"0"代替"o", "1"代替"i"
    label[root] = 0;
    while (!q.empty()) {
      int v = q.front();
      q.pop();
      for (int id : g.g[v]) {
        auto &e = g.edges[id];
        int u = e.from ^ e.to ^ v;
        if (label[u] == -1) {  // 找到未拜访点
          label[u] = 1;        // 标记 "i"
          parent[u] = v;
          if (match[u] == -1) {  // 找到未匹配点
            augment(u);          // 寻找增广路径
            return true;
          }
          // 找到已匹配点 将与她匹配的点丢入queue 延伸交错树
          label[match[u]] = 0;
          q.push(match[u]);
          continue;
        } else if (label[u] == 0 &&
                   orig[v] !=
                       orig[u]) {  // 找到已拜访点 且标记同为"o" 代表找到"花"
          int a = lca(orig[v], orig[u]);
          // 找LCA 然后缩花
          blossom(u, v, a);
          blossom(v, u, a);
        }
      }
    }
    return false;
  };  // bfs

  auto greedy = [&]() {
    vector<int> order(g.n);
    // 随机打乱 order
    iota(order.begin(), order.end(), 0);
    shuffle(order.begin(), order.end(), rng);

    // 将可以匹配的点匹配
    for (int i : order) {
      if (match[i] == -1) {
        for (auto id : g.g[i]) {
          auto &e = g.edges[id];
          int to = e.from ^ e.to ^ i;
          if (match[to] == -1) {
            match[i] = to;
            match[to] = i;
            break;
          }
        }
      }
    }
  };  // greedy

  // 一开始先随机匹配
  greedy();
  // 对未匹配点找增广路
  for (int i = 0; i < g.n; i++) {
    if (match[i] == -1) {
      bfs(i);
    }
  }
  return match;
}
int main() {
  ios::sync_with_stdio(0), cin.tie(0);
  int n, m;
  cin >> n >> m;
  undirectedgraph<int> g(n);
  int u, v;
  for (int i = 0; i < m; i++) {
    cin >> u >> v;
    u--;
    v--;
    g.add(u, v, 1);
  }
  auto blossom_match = find_max_unweighted_matching(g);
  vector<int> ans;
  int tot = 0;
  for (int i = 0; i < blossom_match.size(); i++) {
    ans.push_back(blossom_match[i]);
    if (blossom_match[i] != -1) {
      tot++;
    }
  }
  cout << (tot >> 1) << "\n";
  for (auto x : ans) {
    cout << x + 1 << " ";
  }
}

评论