特定算法:KM

校園自行車分配 II


KM算法
KM算法用來求二分圖最大權(quán)匹配牌借,或者二分圖最小權(quán)匹配度气。
即有兩個(gè)集合A和B,A中有元素m個(gè)膨报,B中有元素n個(gè)磷籍,且m<=n。A中每個(gè)元素和B中每個(gè)元素之間都有一個(gè)權(quán)重值现柠,現(xiàn)在問將A中每個(gè)元素都與B中一個(gè)元素進(jìn)行匹配院领,并且不能重復(fù)匹配B中的元素,問所有匹配的權(quán)值之和最大和最小是多少够吩?
如果用暴力遍歷的方法比然,比如回溯進(jìn)行計(jì)算,那么復(fù)雜度是:若n=m周循,則為强法。階乘的復(fù)雜度是極高的。
使用KM算法可以在復(fù)雜度內(nèi)解決最大權(quán)/最小權(quán)匹配問題湾笛。

KM算法的例子:
https://blog.csdn.net/qq_37943488/article/details/78586048
上面這個(gè)例子是二分最大全匹配的例子饮怯,即男女配對(duì)的例子,實(shí)現(xiàn)代碼如下:

public class KM {

    private int[][] weight; // 二分圖兩邊頂點(diǎn)之間的權(quán)重:女生對(duì)每個(gè)男生的好感度

    private int girlCount; // 女生數(shù)量
    private int boyCount; // 男生數(shù)量
    private int[] girlValues; // 女生的期望值
    private int[] boyValues; // 男生的期望值
    private int[] matched; // 記錄每個(gè)男生已經(jīng)匹配到的女生, -1代表尚未匹配到任何女生

    private boolean[] girlVisit; // 記錄每一輪匹配過的女生
    private boolean[] boyVisit; // 記錄每一輪匹配過的男生
    private int[] lack; // 記錄每一輪的男生如果能被女生傾心至少還需要增加多少value

    public KM(int[][] weight) throws Exception {
        this.weight = weight;
        init();
    }

    public void init() throws Exception {
        girlCount = weight.length;
        boyCount = weight[0].length;
        if (girlCount > boyCount) {
            throw new Exception("girlCount should less or equals than boyCount");
        }

        // 每個(gè)女生的期望值初始化為與她相連的男生的最大的好感度
        girlValues = new int[girlCount];
        for (int i = 0; i < girlCount; i++) {
            girlValues[i] = weight[i][0];
            for (int j = 1; j < boyCount; j++) {
                girlValues[i] = Math.max(girlValues[i], weight[i][j]);
            }
        }

        // 每個(gè)男生的期望值初始化為0
        boyValues = new int[boyCount];

        // 男生匹配到的女生初始化為-1, 代表男生都還沒每有匹配到女生
        matched = new int[boyCount];
        for (int i = 0; i < boyCount; i++) {
            matched[i] = -1;
        }

        // 每一輪之前都需要初始化
        girlVisit = new boolean[girlCount];
        boyVisit = new boolean[boyCount];
        lack = new int[boyCount];
    }

    // 為女生匹配對(duì)象, 成功返回true, 失敗返回false
    public boolean dfs(int girl) {
        girlVisit[girl] = true;
        for (int boy = 0; boy < boyCount; boy++) {
            if (boyVisit[boy]) {
                continue;
            }
            int gap = girlValues[girl] + boyValues[boy] - weight[girl][boy];
            if (gap == 0) {
                boyVisit[boy] = true;
                if (matched[boy] == -1 || dfs(matched[boy])) { // 找到一個(gè)沒有匹配的男生 或者該男生的妹子可以找到其他人
                    matched[boy] = girl;
                    return true;
                }
            } else {
                lack[boy] = Math.min(lack[boy], gap);
            }
        }
        return false;
    }

    public int getMaxMatchWeight() {
        for (int girl = 0; girl < girlCount; girl++) {
            initLack();
            while (true) {
                initBoyVisit();
                initGirlVisit();
                if (dfs(girl)) {
                    break; // 找到歸宿則退出
                }

                // 找不到歸宿, 則調(diào)整期望值:
                // 所有訪問過的女生需要降低期望值, 降低多少取決于這一輪未被訪問的男生中最小的lack值
                int down = Integer.MAX_VALUE;
                for (int boy = 0; boy < boyCount; boy++) {
                    if (!boyVisit[boy]) {
                        down = Math.min(down, lack[boy]);
                    }
                }
                for (int theGirl = 0; theGirl < girlCount; theGirl++) {
                    if (girlVisit[theGirl]) {
                        girlValues[theGirl] -= down;
                    }
                }

                // 所有被訪問過的男生的期望值可以提升, 未被訪問過的男生的lack值可以減小
                for (int theBoy = 0; theBoy < boyCount; theBoy++) {
                    if (boyVisit[theBoy]) {
                        boyValues[theBoy] += down;
                    } else {
                        lack[theBoy] -= down;
                    }
                }
            }
        }
        // 所有女生都匹配到男生, 返回匹配的weight之和即可
        int totalWeight = 0;
        for (int boy = 0; boy < boyCount; boy++) {
            if (matched[boy] > -1) {
                totalWeight += weight[matched[boy]][boy];
            }
        }
        return totalWeight;
    }

    public void initGirlVisit() {
        for (int i = 0; i < girlCount; i++) {
            girlVisit[i] = false;
        }
    }

    public void initBoyVisit() {
        for (int i = 0; i < boyCount; i++) {
            boyVisit[i] = false;
        }
    }

    public void initLack() {
        for (int i = 0; i < boyCount; i++) {
            lack[i] = Integer.MAX_VALUE;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][] weight = {{3, 2, 3, 4}, {2, 2, 4, 6}, {0, 0, 3, 4}};
        try {
            KM km = new KM(weight);
            int maxWeight = km.getMaxMatchWeight();
            System.out.println(maxWeight);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

將上面的例子稍微更改嚎研,即可改為二分最小權(quán)的求解算法蓖墅,可應(yīng)用與本題的求解:

public class Solution {

    public int assignBikes(int[][] workers, int[][] bikes) {
        int m = workers.length;
        int n = bikes.length;
        int[][] weight = new int[m][n];
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                weight[i][j] = Math.abs(workers[i][0] - bikes[j][0]) + Math.abs(workers[i][1] - bikes[j][1]);
            }
        }
        setWeight(weight);
        return getMinMatchWeight();
    }

    private int[][] weight; // 二分圖兩邊頂點(diǎn)之間的權(quán)重:工人與自行車之間的曼哈頓距離

    private int workerCount;
    private int bikeCount;
    private int[] workerValues;
    private int[] bikeValues;

    private int[] matched; // 記錄每輛自行車已經(jīng)匹配的工人

    private boolean[] workerVisit; // 記錄每一輪匹配過的worker
    private boolean[] bikeVisit; // 記錄每一輪匹配過的bike
    private int[] lack; // 記錄每一輪的bike如果能被工人選中至少還需要減少多少距離

    public void setWeight(int[][] weight) {
        this.weight = weight;
        init();
    }

    public void init() {
        workerCount = weight.length;
        bikeCount = weight[0].length;

        // 每個(gè)worker的期望值初始化為與他距離最近的車的距離
        workerValues = new int[workerCount];
        for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
            workerValues[i] = weight[i][0];
            for (int j = 1; j < bikeCount; j++) {
                workerValues[i] = Math.min(workerValues[i], weight[i][j]); // 改動(dòng):期望值是最小距離
            }
        }

        // 每個(gè)bike的期望值初始化為0
        bikeValues = new int[bikeCount];

        // bike匹配到的工人初始化為-1, 代表bike都還沒每有匹配到工人
        matched = new int[bikeCount];
        for (int i = 0; i < bikeCount; i++) {
            matched[i] = -1;
        }

        // 每一輪之前都需要初始化
        workerVisit = new boolean[workerCount];
        bikeVisit = new boolean[bikeCount];
        lack = new int[bikeCount];
    }

    // 為worker匹配自行車, 成功返回true, 失敗返回false
    public boolean dfs(int worker) {
        workerVisit[worker] = true;
        for (int bike = 0; bike < bikeCount; bike++) {
            if (bikeVisit[bike]) {
                continue;
            }
            int gap = weight[worker][bike] - (workerValues[worker] + bikeValues[bike]); // 改動(dòng):保證gap為正數(shù)
            if (gap == 0) {
                bikeVisit[bike] = true;
                if (matched[bike] == -1 || dfs(matched[bike])) { // 找到一個(gè)沒有匹配的bike 或者該bike的worker可以找到其他worker
                    matched[bike] = worker;
                    return true;
                }
            } else {
                lack[bike] = Math.min(lack[bike], gap);
            }
        }
        return false;
    }

    public int getMinMatchWeight() {
        for (int worker = 0; worker < workerCount; worker++) {
            initLack();
            while (true) {
                initBikeVisit();
                initWorkerVisit();
                if (dfs(worker)) {
                    break; // 找到biker則退出
                }

                // 找不到bike, 則調(diào)整距離:
                // 所有訪問過的worker需要增加距離值, 增加多少取決于這一輪未被訪問的bike中最小的lack值
                int down = Integer.MAX_VALUE;
                for (int bike = 0; bike < bikeCount; bike++) {
                    if (!bikeVisit[bike]) {
                        down = Math.min(down, lack[bike]);
                    }
                }
                for (int theWorker = 0; theWorker < workerCount; theWorker++) {
                    if (workerVisit[theWorker]) {
                        workerValues[theWorker] += down; // 改動(dòng):降低期望值,即增大可容忍的距離
                    }
                }

                // 所有被訪問過的bike的距離值可以下降, 未被訪問過的bike的lack值可以減小
                for (int theBoy = 0; theBoy < bikeCount; theBoy++) {
                    if (bikeVisit[theBoy]) {
                        bikeValues[theBoy] -= down; // 改動(dòng):增加bike的期望值嘉赎,即bike減小自身的值, 距離越近越容易被選擇
                    } else {
                        lack[theBoy] -= down;
                    }
                }
            }
        }
        // 所有worker都匹配到bike, 返回匹配的weight之和即可
        int totalWeight = 0;
        for (int bike = 0; bike < bikeCount; bike++) {
            if (matched[bike] > -1) {
                totalWeight += weight[matched[bike]][bike];
            }
        }
        return totalWeight;
    }

    public void initWorkerVisit() {
        for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
            workerVisit[i] = false;
        }
    }

    public void initBikeVisit() {
        for (int i = 0; i < bikeCount; i++) {
            bikeVisit[i] = false;
        }
    }

    public void initLack() {
        for (int i = 0; i < bikeCount; i++) {
            lack[i] = Integer.MAX_VALUE;
        }
    }
}
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