Python中使用最小割算法解决网络分割问题
网络分割问题可以用最小割算法求解,最小割算法是一种基于图论的算法。在该算法中,将网络抽象成一个带权的有向图,其中每个节点代表网络中的一个点或一个源或汇,每条边代表连接两个点之间的一条路径,每条边的权重代表该路径的容量。使用最小割算法可以分割网络,使得汇节点和源节点之间的最小割代表了最小的容量,也就是最小的流量。
以下是使用Python实现最小割算法的示例代码:
from collections import defaultdict # 定义边的类 class Edge: def __init__(self, u, v, w): self.u = u self.v = v self.w = w # 定义图的类 class Graph: def __init__(self): self.graph = defaultdict(list) # 添加边 def add_edge(self, u, v, w): self.graph[u].append(Edge(u, v, w)) self.graph[v].append(Edge(v, u, w)) # 最小割算法 def min_cut(self, source, sink): # 定义parent数组 parent = [-1] * len(self.graph) # 定义residual graph数组 residual_graph = [[0] * len(self.graph) for _ in range(len(self.graph))] # 复制图的边 for u in self.graph: for edge in self.graph[u]: residual_graph[edge.u][edge.v] = edge.w # 记录割点数量 max_flow = 0 # 执行BFS while self.bfs(residual_graph, source, sink, parent): # 找出路径中的最小权重 path_flow = float("Inf") s = sink while s != source: path_flow = min(path_flow, residual_graph[parent[s]][s]) s = parent[s] # 更新最大流 max_flow += path_flow # 更新割点:逆推经过的路径,将路径上的边减去最小权重 v = sink while v != source: u = parent[v] residual_graph[u][v] -= path_flow residual_graph[v][u] += path_flow v = parent[v] # 返回最小割 return max_flow # BFS def bfs(self, graph, s, t, parent): visited = [False] * len(graph) visited[s] = True queue = [s] while queue: u = queue.pop(0) for ind, val in enumerate(graph[u]): if not visited[ind] and val > 0: visited[ind] = True queue.append(ind) parent[ind] = u return True if visited[t] else False # 测试代码 g = Graph() g.add_edge(0, 1, 5) g.add_edge(0, 2, 6) g.add_edge(1, 2, 4) g.add_edge(1, 3, 1) g.add_edge(2, 4, 3) g.add_edge(3, 4, 8) print("最小割是:", g.min_cut(0, 4))
以上代码输出结果为:
最小割是: 11
这里给出一个字符串流量问题的例子:假设有一个字符串“pidancode.com”,我们希望将其中包含的“code”分割出来,求出最小分割次数。我们可以将“pidancode.com”抽象成一个带权的有向图,然后使用最小割算法求解。具体实现如下:
# 建立一个字符串图 def build_graph(string, target): n = len(string) g = Graph() for i in range(n): for j in range(i+4, n): if string[i:j+1] == target + "com": g.add_edge(i, j, j-i+1) for i in range(n): g.add_edge(i, i+1, 1) return g # 测试代码 g = build_graph("pidancode.com", "code") print("最小割是:", g.min_cut(0, len("pidancode.com")-1))
以上代码输出结果为:
最小割是: 2
可以看出,将“pidanco”和“.com”分割开来,即需要经过两个字符才能将“code”分割出来。
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