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定理Theorem

流分解定理

施工中 · 内容逐步修订

Flow decomposition theorem

将有限网络中的可行源汇流写成简单源汇路径流与有向环流的非负组合。

形式陈述 ​

设 f 是有限有向网络中的可行 s–t 流,并采用源点没有正流入、汇点没有正流出的约定。网络本身可以保留这些方向的弧,但其流量须为零。存在简单 s–t 路 Pi、简单有向环 Cj 与系数 αi,βj>0,使

f=∑iαiχPi+∑jβjχCj,|f|=∑iαi.

χP 表示沿路径或环的单位流。总组件数至多为原流正支撑中的弧记录数,因此不超过 m=|A|;若 f 为整数流,可令全部系数为正整数。

构造证明在正流支撑图中进行。流值为正时从 s 沿正流边前进;内部流守恒保证不会在非汇顶点无路可走,有限性使轨迹最终到达 t 或先形成环。流值已经为零但支撑仍非空时,从任一正流边出发,守恒会导出有向环。取所得简单路或环上的最小正流 γ,减去 γχ,至少一条正流边归零且不会产生新正支撑。重复至零流即终止;整数情形每次最小值仍为整数。朴素地每轮用图搜索找路或环,至多 m 轮;计入输入与正支撑初始化,总时间为 O((m+1)(|V|+m))。

直觉

边流记录汇总通过量,分解则把它追踪成若干批货物的完整路线。内部有向环可以携带流,却既不从源带出新货物,也不向汇增加净值;所以流值只由源汇路径系数之和决定。

这里采用有向弧记录上的路径与环:自环是长度一的有向环,反向原弧可组成长度二的有向环,平行弧各有身份。它们是守恒约束的原子形态。沿正支撑抽取而不是在原图任意选路,保证每次相减后所有边流仍非负。

路径流、环流与流值
例子与边界

若 s→a→t 各有流 3,s→b→t 各有流 2,另有 a→b→a 环流 1,则可分成系数 3、2 的两条源汇路径和系数 1 的环。总流值为 5,环不改变源净流出。

同一流的分解通常不唯一:当正支撑中多条路径共享边时,先抽哪条会改变后续组件。定理保证存在稀疏分解,不提供唯一的“每单位流实际走过的路线”。

源汇约定保证抽取路径时方向一致。若沿用最大流页允许流入源、流出汇的更一般可行域,仅在 t→s 上放一单位也是可行流,其净值为 −1,不能写成上式的非负源汇路径与环之和。一般分解可同时包含 s→t 与 t→s 的路径分量,净值等于两类路径系数和之差;移除后一类不会降低最大流目标,却会改变正在分解的具体流。因此,求最优值时采用标准约定,与声称每个给定流都满足该约定,是不同的两件事。

最大流也可能叠加正环流;最大性只约束源汇净值,不自动删除循环。无向网络若用一对反向弧表示,分解前需先固定有向流约定并消去同边双向抵消,否则“环”可能只是表示冗余。

推论与应用

对没有指定终端的纯环流,可添两个孤立顶点作为 s,t,套用零流值情形,得到纯有向环分解。

流分解把边变量模型与路径变量模型连接起来,用于多商品流、路径采样、运输解释和积分流证书。它也说明任何正值可行流都至少包含一条正流源汇路径。

组件数界来自每轮消去一条正边,而不是路径数量单独总小于 m 后再额外无限加入环。引用时应写“路径与环的总组件数”或给更精细条件。

参考资料
  • Ravindra K. Ahuja, Thomas L. Magnanti, and James B. Orlin, Network Flows, Prentice Hall, 1993, §3.5.
  • Alexander Schrijver, Combinatorial Optimization, Springer, 2003, Ch. 10.
  • Ankur Moitra,MIT 6.854/18.415 Advanced Algorithms,2016,Lecture 7, §2.1–2.2:源汇流约定与逐条消去正支撑的分解证明。
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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