Flüsse, Schnitte, bipartite Graphen
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- Bastian Dunkle
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1 Flüe, Schnie, iprie Grphen Michel Eicher 06. Juni 0 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
2 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
3 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
4 Deniionen: Nezwerk Gericheer Grph G = (V, E) Kpziäfunkion c(u, v) N gi n, wie viel durch eine Kne ieÿen knn Jede Kne eiz Kpziä c(u, v) > 0, (u, v) E c(u, v) = 0, (u, v) / E Beiz eine Quelle und eine Senke Aniprlleliä: Wenn e eine Kne von u nch v gi, drf keine Rückkne von v nch u exiieren Jeder Knoen v lieg uf dem Weg von nch : v Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
5 Deniionen: Nezwerk Beipiel: Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 5 / 48
6 Deniionen: Flu Flufunkion f gi den Flu üer jede Kne n Kpziäechränkung: 0 f (u, v) c(u, v) u, v V Fluerhlung: u V \ {, } : f (v, u) = f (u, v) v V v V Zuu = Au, für lle Knoen uÿer Quelle und Senke Die Quelle und Senke können omi unendlich Flu produzieren oder konumieren Flu: f = f (, v) v V Mximler Flu: Flu, deen Berg mximl i Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 6 / 48
7 Deniionen: Flu 3/5 / / /3 3/3 4/4 / Bechrifung der Knen: Flu / Kpziä Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 7 / 48
8 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 8 / 48
9 Mximler Flu: Renezwerk Gericheer Grph, deen Knen ngeen, um wie viel der Flu mximl geänder werden knn Zu jeder Kne (u, v) im urprünglichen Nezwerk folgende Knen erellen: c (u, v) = c(u, v) f (u, v) verleiende Kpziä c (v, u) = f (u, v) möglicher Rücku Nich vorhndene Knen: c (u, v) = 0 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
10 Mximler Flu: Renezwerk Grph: 3/5 / / /3 3/3 4/4 / Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 0 / 48
11 Mximler Flu: Renezwerk Renezwerk: Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 0 / 48
12 Mximler Flu: Erweiernder Pfd Erweiernder Pfd: Pfd von nch Die Kne de Pfd im Renezwerk, mi der minimlen Kpziä, egrenz die Erhöhung de Flue Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
13 Mximler Flu: Erweiernder Pfd Erweiernder Pfd: Pfd von nch Die Kne de Pfd im Renezwerk, mi der minimlen Kpziä, egrenz die Erhöhung de Flue Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
14 Mximler Flu Wie ekommen wir einen mximlen Flu? Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
15 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Seze f für lle Knen = 0 Solnge ein erweiernder Pfd p im Renezwerk G f exiier: 3 erweiere f enlng p (mi minimler Kpziä) 4 gi f zurück Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
16 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 0/5 0/ /3 0/0/ 0/ c 0/4 3 c 4 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
17 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 0/5 0/ /3 0/0/ 0/ c 0/4 3 c 4 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
18 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 3 3/5 3/3 3 0/3 0/0/ 0/ c 0/4 3 c 4 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
19 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 3 3/5 3/3 3 0/3 0/0/ 0/ c 0/4 3 c 4 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
20 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 3 /3 3/5 // 3/3 c 0/ /4 3 c Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
21 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk 3 /3 3/5 // 3/3 c 0/ /4 3 c Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
22 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Nezwerk Renezwerk /3 5/5 0// 3/3 c / 4/4 5 3 c 4 E gi keine zuäzlichen erweiernden Pfde Dmi i der mximle Flu: 7 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
23 Schni: Deniion Aufeilung der Knoen in zwei Mengen S und T, woei S und T Kpziä: c(s, T ) = c(u, v) = Kpziä der u S v T gechnienen Knen, die von S nch T verlufen Flu: f (S, T ) = f (u, v) f (v, u) = u S v T u S v T Flu von S nch T minu Rücku f (S, T ) = f, woei uch gil, d f c(s, T ) Minimler Schni: Schni mi minimler Kpziä Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 5 / 48
24 Minimler Schni: Beipiel 8/8 6/8 4/4 /5 3/3 /5 3/8 7/7 6/7 Kpziä der Schni: 0 (kein minimler Schni!) Flu üer den Schni: - = Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 6 / 48
25 Minimler Schni: Beipiel 8/8 6/8 4/4 /5 3/3 /5 3/8 7/7 6/7 Kpziä der Schni: Flu üer den Schni: Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 6 / 48
26 Min-Cu-Mx-Flow-Theorem Äquivlene Augen: f i ein mximler Flu D Renezwerk enhäl keinen erweiernden Pfd E gi minimle Schnie S, T für die f = c(s, T ) gil. D.h. die Kpziä eine Schni wird voll ugenuz Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 7 / 48
27 Minimler Schni: Konrukion Mximlen Flu erechnen Aufeilen in der Knoen in zwei Mengen: Menge S = {v Knoen v von u im Renezwerk erreichr} Menge T = V \ S Alle Knen zwichen S und T ind voll ugele, omi i die Aufeilung ein minimler Schni Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 8 / 48
28 Minimler Schni: Konrukion Nezwerk Renezwerk 3/8 8/8 3/3 / 6/6 4/4 c 7/ c 7 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
29 Minimler Schni: Konrukion Nezwerk Renezwerk 3/8 8/8 3/3 / 6/6 4/4 c 7/ c 7 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
30 Minimler Schni: Konrukion Nezwerk Renezwerk 3/8 8/8 3/3 / 6/6 4/4 c 7/ c 7 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
31 Minimler Schni: Konrukion Nezwerk Renezwerk 3/8 8/8 3/3 / 6/6 4/4 c 7/ c 7 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
32 Minimler Schni: Konrukion Nezwerk Renezwerk 3/8 8/8 3/3 / 6/6 4/4 c 7/ c 7 Minimler Schni, mi Flu und Kpziä Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
33 Mximler Flu: Ford-Fulkeron Wieo funkionier d? Ford-Fulkeron: Der Flu wird erhöh, olnge ein erweiernder Pfd exiier Dei erhöh jeder gefundene Pfd den Flu um mindeen Min-Cu-Mx-Flow-Theorem: Der Flu i mximl, wenn kein erweiernder Pfd exiier Somi gil, d der Algorihmu genu dnn rich, wenn der Flu mximl i Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 0 / 48
34 Mximler Flu: Lufzei Lufzei wird durch Algorihmu zur Pfduche eimm Hier für Tiefenuche: Der mximle Aufwnd i O( f E ) Im chlimmen Fll wird der Flu pro Durchluf nur um erhöh Pro Durchluf müen mximl lle Knen und Knoen erche werden D jeder Knoen mindeen eine Kne h, i die Lufzei dfür O( E ) Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
35 Mximler Flu: Wor-Ce 0/00 0/ 0/ /00 0/ Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
36 Mximler Flu: Wor-Ce 0/00 0/ 0/ /00 0/ Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
37 Mximler Flu: Wor-Ce 99 /00 / 0/ /00 /00 00 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
38 Mximler Flu: Wor-Ce 99 /00 / 0/ /00 /00 00 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
39 Mximler Flu: Wor-Ce /00 /00 0/ /00 / Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 / 48
40 Mximler Flu: Edmond-Krp Verwende Breienuche, um einen erweiernden Pfd zu nden E wird immer mi dem Weg mi der geringen Knennzhl erweier Dmi ergi ich eine Lufzei von O( V E ) Bewei: iehe Cormen Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
41 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
42 Redukionen Viele Proleme, die ein Fluprolem ind, liefern einen Grphen, der nich wirklich p Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 5 / 48
43 Mehrere Quellen/Senken 3 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 6 / 48
44 Mehrere Quellen/Senken 3 3 Superquelle/-enke einfügen und mi Knen unendlicher Kpziä ninden Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 6 / 48
45 Knoenkpziä c Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 7 / 48
46 Knoenkpziä c c Knoen mi Kpziä c durch zwei Knoen, die üer eine Kne mi Kpziä c verunden ind, erezen Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 7 / 48
47 Produkion/Konum echränken Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 8 / 48
48 Produkion/Konum echränken c c Knoen einfügen, deen Kne die Produkion / Konum der Quelle / Senke echränk Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 8 / 48
49 Aniprlleliä c c Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
50 Aniprlleliä c c c c c Exr Knoen einfügen, mi dem eine Kne ufgerochen wird Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 9 / 48
51 Ungerichee Knen c Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 30 / 48
52 Ungerichee Knen c c c Ungerichee Knen durch zwei gerichee erezen und nchlieÿend die Aniprlleliä icherellen Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 30 / 48
53 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
54 Biprie Mching: Deniion Ein ungericheer Grph heiÿ ipri, wenn die Knoen o in zwei Mengen ufgeeil werden können, d die Knen nur zwichen dieen verlufen. Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
55 Biprie Mching: Deniion Ein ungericheer Grph heiÿ ipri, wenn die Knoen o in zwei Mengen ufgeeil werden können, d die Knen nur zwichen dieen verlufen. Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 3 / 48
56 Biprie Mching: Deniion Ein Mching i eine Auwhl n Knen, od jeder Knoen zu mximl einer Kne inziden i Ein Mching i mximl, wenn e eine mximle Anzhl n Knen enhäl Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 33 / 48
57 Biprie Mching: Deniion Ein Mching i eine Auwhl n Knen, od jeder Knoen zu mximl einer Kne inziden i Ein Mching i mximl, wenn e eine mximle Anzhl n Knen enhäl Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 33 / 48
58 Biprie Mching: Deniion Ein Mching i eine Auwhl n Knen, od jeder Knoen zu mximl einer Kne inziden i Ein Mching i mximl, wenn e eine mximle Anzhl n Knen enhäl Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 33 / 48
59 Umwndlung zu Fluprolem Quelle einfügen und mi der eren Menge üer gerichee Knen verinden Senke einfügen und zweie Menge üer gerichee Knen mi Senke verinden Knen zwichen den Mengen durch gerichee Knen von der eren zur zweien Menge erezen Alle Knen hen die Kpziä Der mximle Flu uf dem Grphen ergi d mximle iprie Mching Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 34 / 48
60 Beipielumwndlung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 35 / 48
61 Beipielumwndlung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 35 / 48
62 Beipielumwndlung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 35 / 48
63 Biprie Mching: Lufzei Mximle Lufzei O( V E ) Mximler Flu f < V Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 36 / 48
64 LKW minimieren Ein Trnporunernehmen h eine Lie von Aufrägen eehend u Sror/Afhrzei und Zielor/Ankunfzei Die Trnporer können n elieigen Oren ren und mehrere Aufräge üernehmen, wenn ie rechzeiig m jeweiligen Sror ind Die Trnporer können ihren Aufenhlor nur durch eine Aufrgfhr ändern Wie viele LKW werden mindeen enöig, um lle Aufräge zu erfüllen? Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 37 / 48
65 LKW minimieren Um d Prolem l Fluprolem löen zu können, mu e in ein Mximierungprolem rnformier werden S wie viele LKW werden enöig?, frg mn wie viele len ich einpren? Mi Anzhl Trnporer = Anzhl Aufräge, werden grnier lle Aufräge erfüll Wenn zwei Aufräge ncheinnder von einem Trnporer erfüll werden können, pr mn einen LKW Alo mu die Anzhl der Aufrgpre, die ein Trnporer erledig, mximier werden Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 38 / 48
66 LKW minimieren Redukion uf mximle iprie Mching: Unereile jeden Aufrg in einen Afhr- und Ankunfknoen unereil Die Ankunfknoen werden mi den möglichen nchlieÿenden Afhren verunden Berechne d mximle iprie Mching Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 39 / 48
67 LKW minimieren Afhr Erlngen 0:00 Nürnerg :00 Fürh :00 Nürnerg 5:00 Ankunf Nürnerg :00 Erlngen 3:00 Nürnerg 3:00 Fürh 7:00 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 40 / 48
68 LKW minimieren Afhr Erlngen 0:00 Nürnerg :00 Fürh :00 Nürnerg 5:00 Ankunf Nürnerg :00 Erlngen 3:00 Nürnerg 3:00 Fürh 7:00 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 40 / 48
69 LKW minimieren Afhr Erlngen 0:00 Nürnerg :00 Fürh :00 Nürnerg 5:00 Ankunf Nürnerg :00 Erlngen 3:00 Nürnerg 3:00 Fürh 7:00 Mximle iprie Mching ergi, wie viele LKW eingepr werden können Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 40 / 48
70 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
71 Knoen verinden E i eine Menge von Knoen gegeen, für die eknn i, wie viele ein- und ugehende Knen exiieren E ollen nun die Knen gefunden werden (Zwichen zwei Knoen exiier mximl eine Kne) Idee: Knoen in Eingng- und Augngknoen ufplien Knen mi Kpziä einfügen Eingng- und Augngknoen mi Quelle/Senke verinden, woei die Kpziä dem Eingng-/Augnggrd enprich Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 4 / 48
72 Knoen verinden c d c d d c Augnggrd: (,,,) (für -d) Eingnggrd: (,,,) Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 43 / 48
73 Knoen verinden c d c d d c Augnggrd: (,,,) (für -d) Eingnggrd: (,,,) Je nch vorgegeenem Grph knn e uch mehrere Löungen geen Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 43 / 48
74 Min. Schni mi min. Knenzhl Redukion: Kpziä der Knen mi ( E + ) muliplizieren und nchlieÿend ddieren Der minimle Schni im rnformieren Grphen i ein minimler Schni mi minimler Knennzhl D ( E + ) veränder nich n den möglichen minimlen Flüen. D durch die +en die mximle Kpziä eine Schni nur um E erhöh werden knn, enehen keine neuen minimlen Schnie. E leien nur die Schnie mi minimler Knennzhl miniml. Jede Kne mehr erhöh die Kpziä de Flue, der omi nich mehr miniml i. Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 44 / 48
75 Min. Schni mi min. Knenzhl Nezwerk 5/5 3/3 /3 0// / c 4/4 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 45 / 48
76 Min. Schni mi min. Knenzhl Trnformiere Nezwerk c 33 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 45 / 48
77 Min. Schni mi min. Knenzhl Trnformiere Nezwerk 7/5 4/4 0/7 6/7 5/5 c 7/7 33/33 Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 45 / 48
78 Deniionen Nezwerk Flu Üerich Mximler Flu Ford-Fulkeron Minimler Schni Edmond-Krp 3 Redukionen 4 Biprie Mching 5 Anwendungen Knoen verinden Minimler Schni mi minimler Knenzhl 6 Zummenfung Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 46 / 48
79 Zummenfung Mximler Flu in Nezwerken miel Ford-Fulkeron-Mehode mi Edmond-Krp in O( V E ) erechenr Mximler Flu = minimler Schni Redukion komplexer Proleme uf Sndrdnezwerke Mchingproleme len ich l Fluprolem löen Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 47 / 48
80 Quellen Inroducion o Algorihm (Cormen) Flüe, Schnie und iprie Aildungen 00, Thom Ferch Flüe, Schnie und iprie Aildungen 0, Chriopher Dennl hp:// &d=uoril&d=mxflow Michel Eicher Flüe, Schnie, iprie Grphen 06. Juni 0 48 / 48
b) Das Restnetzwerk zu f sieht folgendermaßen aus:
Techniche Univeriä München Zenrum Mhemik Dikree Opimierung: Grundlgen (MA 0) Prof Dr R Hemmecke, Dr R Brndenerg, MSc-Mh B Wilhelm Üungl 7 Aufge 7 Die folgende Aildung zeig ein Nezwerk N mi einen Flukpziäen
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