差分约束算法

2024-01-09 23:47:01

差分约束

差分约束系统包含 m m m个涉及 n n n个变量的差额限制条件,这些差额限制条件每个都是形式为 x i ? x j ≤ b ∈ [ 1 , m ] x_i-x_j\leq b_{\in[1,m]} xi??xj?b[1,m]?的简单线性不等式。

通常我们要求解出一组可行解。

最短路差分约束

如果我们把变量看做节点,如果这里用 d u d_u du?表示 d i s S , u dis_{S,u} disS,u?,那么从 u u u v v v的一条有向边必然满足 d u + w ≥ d v d_u+w\geq d_v du?+wdv?,即:
d v ? d u ≤ w d_v-d_u\leq w dv??du?w

对比:
x v ? x u ≤ b i x_v-x_u\leq b_i xv??xu?bi?

因此对于每个限制条件 x v ? x u ≤ b i x_v-x_u\leq b_i xv??xu?bi?,我们可以在图上给 u u u v v v连接一条边权为 b i b_i bi?的有向边。
同时建立一个虚拟源点 S S S,向着每个点连接一个长度为 0 0 0的边。

如果图中不存在负环,那么可以使用单源最短路径算法求出所有的 d u d_u du?,则 x i = d i x_i=d_i xi?=di?就是原问题的一组可行解。如果有负环说明无解。

定理:图中没有负环是差分约束系统有解的充要条件。

充分性显然,因为我们可以构造出一组解。

必要性:
如果图中存在负环,那么说明此差分约束系统无解:
设图中有一个负环, w 1 + w 2 + w 3 < 0 w_1+w_2+w_3<0 w1?+w2?+w3?<0
在这里插入图片描述
x 1 + w 1 ≥ x 2 x_1+w_1\geq x_2 x1?+w1?x2?
x 1 + w 1 + w 2 ≥ x 2 + w 2 ≥ x 3 x_1+w_1+w_2\geq x_2+w_2\geq x_3 x1?+w1?+w2?x2?+w2?x3?
x 1 + w 1 + w 2 + w 3 ≥ x 3 + w 3 ≥ x 1 x_1+w_1+w_2+w_3 \geq x_3+w_3\geq x_1 x1?+w1?+w2?+w3?x3?+w3?x1?
x 1 + w 1 + w 2 + w 3 ≥ x 1 x_1+w_1+w_2+w_3 \geq x_1 x1?+w1?+w2?+w3?x1?
这说明 x 1 + 一个负数 ≥ x 1 x_1+一个负数\geq x_1 x1?+一个负数x1?,这是不可能的,因此这个差分约束系统是矛盾的,无解。

QED.

性质

这样建图跑最短路求出的解是具有一定性质的,具体来说是:

  • x i ∈ [ 1 , n ] ≤ 0 x_{i\in[1,n]}\leq 0 xi[1,n]?0
  • 对于任意差分约束系统的一组解 { x n ′ } \left\{x'_{n}\right\} {xn?}满足 x i ∈ [ 1 , n ] ′ ≤ 0 x'_{i\in[1,n]}\leq 0 xi[1,n]?0,都有 x i ≥ x i ′ ( i ∈ [ 1 , n ] ) x_i\geq x'_i(i\in[1,n]) xi?xi?(i[1,n]),也就称为最大解
  • 对于所有解 x i ∈ [ 1 , n ] ′ ≤ 0 x'_{i\in[1,n]}\leq 0 xi[1,n]?0,都有 ∑ n i = 1 x i ≥ ∑ n i = 1 x i ′ \underset{i=1}{\overset n\sum}x_i\geq\underset{i=1}{\overset n\sum}x'_i i=1n??xi?i=1n??xi?

证明:

只需证明性质2,性质1、3显然:
首先考虑虚拟源点 S S S的意义,即我们令 x S x_S xS?表示一个新量,我们连零边表示: x i ∈ [ 1 , n ] ? x S ≤ 0 x_{i\in[1,n]}-x_S\leq 0 xi[1,n]??xS?0
然后我们在跑最短路时强制 x S = d S = 0 x_S=d_S=0 xS?=dS?=0,因此我们连零边实际上限制了: x i ∈ [ 1 , n ] ≤ 0 x_{i\in[1,n]}\leq 0 xi[1,n]?0

接下来考虑:
对于 x i = d i x_i=d_i xi?=di?,假设其对应的某条从 S S S i i i的最短路径依次经过了点 u 0 = S , u 1 , u 2 , . . . , u k = i u_0=S,u_1,u_2,...,u_k=i u0?=S,u1?,u2?,...,uk?=i,则经过的边对应的不等式为:
x u j ? x u j ? 1 ≤ w j x_{u_j}-x_{u_{j-1}}\leq w_j xuj???xuj?1??wj?
求和得到:
∑ k j = 1 x u j ? x u j ? 1 ≤ ∑ k j = 1 w j \underset{j=1}{\overset k\sum}x_{u_j}-x_{u_{j-1}}\leq \underset{j=1}{\overset k\sum} w_j j=1k??xuj???xuj?1??j=1k??wj?

由于裂项:
x u k ? x u 0 ≤ ∑ k j = 1 w j x_{u_k}-x_{u_0}\leq \underset{j=1}{\overset k\sum}w_j xuk???xu0??j=1k??wj?

由于我们指定了 x S = 0 x_S=0 xS?=0,也就是说:
x i ≤ ∑ k j = 1 w j x_i\leq \underset{j=1}{\overset k\sum}w_j xi?j=1k??wj?

这给出了此差分约束系统中,满足所有变量都 ≤ 0 \leq 0 0的任意一个解中, x i x_i xi?的一个上界。

同时我们断言这个上界是可以取到的,并且 x i = d i = ∑ k j = 1 w j x_i=d_{i}=\underset{j=1}{\overset k\sum}w_j xi?=di?=j=1k??wj?,原因如下,因为刚才经过的边事实上是由 S S S i i i的最短路径,根据相关理论,我们有:
d i s S , u j ? d i s S , u j ? 1 = w j dis_{S,u_j}-dis_{S,u_{j-1}}=w_j disS,uj???disS,uj?1??=wj?

求和得到:
∑ k j = 1 d i s S , u j ? d i s S , u j ? 1 = ∑ k j = 1 w j \underset{j=1}{\overset k\sum}dis_{S,u_j}-dis_{S,u_{j-1}}= \underset{j=1}{\overset k\sum} w_j j=1k??disS,uj???disS,uj?1??=j=1k??wj?

由于裂项:
d i s S , i = ∑ k j = 1 w j dis_{S,i}=\underset{j=1}{\overset k\sum}w_j disS,i?=j=1k??wj?

因此我们知道 x i = d i = d i s S , i = ∑ k j = 1 w j x_i=d_i=dis_{S,i}=\underset{j=1}{\overset k\sum}w_j xi?=di?=disS,i?=j=1k??wj?,证明上界可以取到。

QED.

最长路差分约束

如果我们用 d u d_u du?表示 S S S u u u的最长路,那么对于有向边 ( u , v ) (u,v) (u,v)
d u + w ≤ d v d_u+w\leq d_v du?+wdv?
d u ? d v ≤ ? w d_u-d_v\leq -w du??dv??w
即:
x u ? x v ≤ b i x_u-x_v\leq b_i xu??xv?bi?

那么 b i = ? w b_i=-w bi?=?w,即 w = ? b i w=-b_i w=?bi?

那么从 u u u v v v连接一条长度为 ? b i -b_i ?bi?的有向边。
在从虚拟源点 S S S向着每个点连接一个边权为 0 0 0的有向边。

求出图中的最长路即为差分约束系统的一组解。
同理图中如果存在正环就无解。

性质

这样建图跑最长路求出的解也具有一定性质的,具体来说是:

  • x i ∈ [ 1 , n ] ≥ 0 x_{i\in[1,n]}\geq 0 xi[1,n]?0
  • 对于任意差分约束系统的一组解 { x n ′ } \left\{x'_{n}\right\} {xn?}满足 x i ∈ [ 1 , n ] ′ ≥ 0 x'_{i\in[1,n]}\geq 0 xi[1,n]?0,都有 x i ≤ x i ′ ( i ∈ [ 1 , n ] ) x_i\leq x'_i(i\in[1,n]) xi?xi?(i[1,n]),也就称为最小解
  • 对于所有解 x i ∈ [ 1 , n ] ′ ≥ 0 x'_{i\in[1,n]}\geq 0 xi[1,n]?0,都有 ∑ n i = 1 x i ≤ ∑ n i = 1 x i ′ \underset{i=1}{\overset n\sum}x_i\leq\underset{i=1}{\overset n\sum}x'_i i=1n??xi?i=1n??xi?

证明同理。

其他问题

各类限制转化

通常讨论的差分约束问题往往变量为整数,对于一些其他形式的简单线性不等式可以转化为差分约束问题 x ? y ≤ b x-y\leq b x?yb
x ? y < b ? x ? y ≤ b ? 1 x-y<b\Rightarrow x-y\leq b-1 x?y<b?x?yb?1
x ? y ≥ b ? y ? x ≤ ? b x-y\geq b\Rightarrow y-x\leq -b x?yb?y?x?b
x ? y > b ? y ? x < ? b x-y>b\Rightarrow y-x<-b x?y>b?y?x<?b
x ? y = b ? x ? y ≤ b 且 x ? y ≥ b x-y=b\Rightarrow x-y\leq b且x-y\geq b x?y=b?x?ybx?yb(当然如果全是等式限制直接高斯消元更好)

通常差分约束可能涉及对题意进行差分/前缀和转化。

正解/负解

建最短路得出的解一定是非正解,并且是最大解。
建最长路得出的解一定是非负解,并且是最小解。

同时注意到对一组可行解的每个变量都加 k k k之后,这个解仍然是可行解,因此我们可以获得全正/全负解。

后记

于是皆大欢喜。

文章来源:https://blog.csdn.net/wanglianda2007/article/details/135403226
本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。