Лекции по "Развитию операционных систем"

Лекция 13.

 

п.13.  Паросочетание.

 

13.1.  Паросочетание.

 

Теория потоков в сети имеет непосредственное применение в теории графов, в частности, используется в двудольных графах.

Напомним, какой граф называется двудольным. Граф G=G(V, E) называется двудольным, если множество вершин V можно представить как объединение непересекающихся множеств, скажем V=AÈB, так что каждое ребро имеет вид (vi, vj), где viÎA и vjÎB. Не существует двух вершин из одного и того же множества (A или B), которые были бы соединены ребром друг с другом.

Определение 13.1.  Паросочетанием в неориентированном графе G=G(V, E) называется произвольное множество ребер такое, что никакие два ребра из M не инцидентны одной вершине.

 

Пример 13.1.  На рисунке изображен двудольный граф.

,

С практической точки зрения целесообразно рассматривать паросочетания, которые включают наибольшее число ребер. В связи с этим введем понятия «максимальное паросочетание» и «полное паросочетание».

 

Определение 13.2.  Паросочетание M на двудольном графе G=G(V, E) называется максимальным, если никакое другое паросочетание на G не содержит ребер больше, чем M.

Определение 13.3.  Паросочетание M на двудольном графе G=G(V, E), где V=AÈB, называется полным, если для каждой viÎA существует vjÎB такое, что (vi, vj)ÎM.

 

Пример 13.2.  На рисунке изображен двудольный граф. Выделенные ребра образуют паросочетание.

 

Очевидно, нужен некоторый метод, позволяющий находить максимальное паросочетание в двудольном графе.

Задачу нахождения максимального паросочетания в двудольном графе можно свести к нахождению максимального потока в некоторой сети. Для упрощения заменим рассматриваемый двудольный неориентированный граф ориентированным графом, дуги которого имеют начало в вершинах множества A и заканчиваются в вершинах множества B. Добавим две новые вершины I и S, а также дуги из вершины I в каждую вершину множества A и дуги из каждой вершины множества B в вершину S.

Теперь двудольный граф превращен в сеть. Такая сеть называется сетью паросочетаний. Для каждой viÎA обозначим через дугу из I в vi. Положим пропускную способность для каждой дуги . Аналогично, для каждой vjÎB обозначим через дугу из vj в S и положим пропускную способность для каждой дуги . Для каждой дуги из vi в vj положим , так, чтобы пропускная способность была бы больше, чем вершин в множестве A. Так как поток в каждую вершину vi не может превысить 1, то поток через каждую дугу из vi в vj должен быть 1 или 0 независимо от пропускной способности . Для дуги из vi в vj определим поток равным 1, если имеется паросочетающая дуга между vi и vj, и равна 0 в противном случае. Величина потока в таком случае равна количеству дуг в паросочетании между A и B. Максимальный поток имеет место, когда имеется максимальное паросочетание. Таким образом, задача нахождения максимального паросочетания сведена к задаче построения максимального потока.

Покажем на примере, как с помощью алгоритма построения максимального потока в сети можно найти максимальное паросочетание в двудольном графе.

 

Пример 13.3. (1).  На рисунке изображен двудольный граф.

Найти максимальное паросочетание на данной графе, используя алгоритм построения максимального потока на сети.

Решение.  Данный двудольный неориентированный граф заменим ориентирован-ным, направив дуги из вершины в вершину , где . Добавим: две вершины I и S; дуги , которым припишем пропускные способности . Так как число вершин, входящих в множество A, равно 4, то дугам припишем пропускные способности . Поскольку каждой дуге приписываем число 5, то на рисунке из-за избыточности припишем это число только дуге . Таким образом, получаем следующую сеть паросочетаний.

 

 

На полученной сети формируем некоторый первоначальный поток. На пути пускаем 1 единицу. Аналогично по каждому пути и пускаем по одной единице. На сети выделим жирной линией те дуги рассмотренных путей, по которым пустили поток.

 

 

Сформированный поток на сети, позволяет записать первоначальное паросочетание .

Выясним, является ли это паросочетание максимальным. Изобразим сеть, удалив насыщенные дуги . Надо отметить, что по дугам мы пустили по 1 единице потока, и больше единиц потока пускать нельзя. По этим дугам мы можем только вычитать 1 единицу потока при необходимом перераспределении. Вершины помечаем таким же образом, как в алгоритме о формировании максимального потока. В результате получаем следующую сеть.

 

 

 

 

 

По данной сети можно определить путь из I в S: . Это значит, что поток следует перераспределить. По дугам этого пути мы пускаем 1 единицу, а от потока по дуге вычитаем 1 единицу. В результате получаем следующую сеть.

По каждой дуге пустили 1 единицу потока. Значит, на сети сформировали поток максимальной мощности . Это говорит о том, что мы построили максимальное паросочетание .

,

Для нахождения максимального паросочетания можно использовать другой метод – это метод построения чередующейся цепи. При использовании этого метода нет необходимости заботиться о вершинах I и S. Суть метода в том, строим цепь в ориентированном двудольном графе, начиная с вершины из множества A, которая не паросочетается, и продолжаем движение назад и вперед, пока она не закончится в вершине множества B, у которой нет паросочетающей дуги.

Рассмотрим применение метода построения чередующейся цепи на примере двудольного графа из примера 13.3.(1).

Пример 13.3. (2).  На рисунке изображен двудольный граф.

Найти максимальное паросочетание на данной графе, используя метод чередующейся цепи.

Решение.  Данный двудольный неориентированный граф заменим ориентирован-ным, направив дуги из вершины в вершину , где . Получаем следующий граф.

Строим чередующуюся цепь, начиная, например, с вершины , так как она имеет одну инцидентную дугу:

.

Мы закончили движение в вершине . При дальнейшем движении по дуге попадем в вершину , которая станет инцидентной двум дугам и . В результате получаем ориентированный двудольный граф с выделенными дугами, которые вошли в паросочетание .

Паросочетание будет максимальным, если чередующаяся цепь закончится в вершине из множества B. Проанализируем построенную цепь. При движении из вершины по дуге попадаем в вершину . После чего стали двигаться в противоположном направлении по дуге . Но начиная с вершины , изменим порядок движения по дугам при построении чередующейся цепи. Вместо дуги включим в цепь дугу , после чего продолжим дальнейшее построение чередующейся цепи. В результате получаем следующую чередующуюся цепь:

.

Мы закончили движение в вершине , т.е. в вершине из множества B. Причем данная чередующаяся цепь позволяет получить следующее паросочетание, которое является максимальным:

.

Изобразим ориентированный двудольный граф, с выделенными дугами, которые вошли в паросочетание .

,

 

 

13.2.  Задача о назначениях.

 

Существует ряд прикладных задач, постановка и решение которых сводится к построению максимального паросочетания. Примером такой задачи является задача о назначениях.

 

Формулировка задачи о назначениях:  на n видов работ можно назначить n исполнителей . Квалификация каждого работника позволяет ему выполнять лишь определенные виды работ. Возможно ли распределить работы между исполнителями таким образом, чтобы одновременно выполнялось как можно большее число работ?

 

Рассмотрим решение данной задачи на примере.

Пример 13.4.  Проект включает работы , которые могут выпол-няться независимо друг от друга. Исполнители могут выполнять не любые, а лишь вполне определенные работы. Возможности исполнителей характеризуются элементами матрицы : если , то исполнитель может выполнить работу , если же , то нет. При этом каждый исполнитель одновременно может выполнять только одну работу, и каждая работа одновременно может выполняться только одним исполнителем. Распределить работы между исполнителями так, чтобы одновременно выполнялось, возможно, большее число работ.

.

Решение.  Строим ориентированный двудольный граф, у которого множество вершин разобьем на два множества и . Вершину соединяем с вершиной дугой , если элемент матрицы , в противном случае нет.

 

Построение чередующейся цепи лучше начинать с вершины из множества И, которая имеет наименьшее число инцидентных дуг. В нашем случае это вершина . Таким образом, строим чередующуюся цепь, начиная с вершины . Получаем:

.

Чередующаяся цепь проходит через каждую вершину множества И и каждую вершину множества Р по одному разу. Значит, мы построили максимальное паросочетание , которое можно изобразить выделенными дугами на графе.

Вывод:  построенное паросочетание свидетельствует о том, что исполнителя назначить на выполнение работы ; исполнителя назначить на выполнение работы ; исполнителя назначить на выполнение работы ; исполнителя назначить на выполнение работы ; исполнителя назначить на выполнение работы .

,