指派问题与匈牙利解法

指派问题概述:

实际中,会遇到这样的问题,有n项不同的任务,需要n个人分别完成其中的1项,每个人完成任务的时间不一样。于是就有一个问题,如何分配任务使得花费时间最少。

通俗来讲,就是n*n矩阵中,选取n个元素,每行每列各有1个元素,使得和最小。

如下图:

 

指派问题性质:

指派问题的最优解有这样一个性质,若从矩阵的一行()各元素中分别减去该行()的最小元素,得到归约矩阵,其最优解和原矩阵的最优解相同.

匈牙利法:

 

 

12

7

9

7

9

8

9

6

6

6

7

17

12

14

9

15

14

6

6

10

4

10

7

10

9

 

1.行归约:

每行元素减去该行的最小元素

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

2.列归约:

每列元素减去该列的最小元素

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

3.试指派:

(1)找到未被画线的含0元素最少的行列,即,遍历所有未被画线的0元素,看下该0元素所在的行列一共有多少个0,最终选取最少个数的那个0元素。

(2)找到该行列中未被画线的0元素,这就是一个独立0元素。对该0元素所在行和列画线。

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

 

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

 

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

 

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

(3)暂时不看被线覆盖的元素,重复(1)(2)直到没有线可以画。

 

(4)根据(2)找到的0元素个数判断,找到n个独立0元素则Success,小于n个则Fail.(本例子中,n=5,可以看到,第一次试指派之后,独立0元素有4个,不符合)

4.画盖0线:

目标:做最少的直线数覆盖所有0元素,直线数就是独立0元素的个数。

注意:这跟3的线不同;不能用贪心法去画线,比如

1 0 0

1 1 0

1 0 1

若先画横的,则得画3条线,实际只需2条;若先画竖的,将矩阵转置后同理。

 

步骤3得出的独立0元素的位置

5

0

2

0

2

2

3

0

0

0

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

0

6

3

6

5

 

(1)对没有独立0元素的行打勾、

(2)对打勾的行所含0元素的列打勾

(3)对所有打勾的列中所含独立0元素的行打勾

(4)重复(2)(3)直到没有不能再打勾

(5)对打勾的列和没有打勾的行画画线,这就是最小盖0线。

5

0

2

0

2

 

2

3

0

0

0

 

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

 

0

6

3

6

5

         

 

5

0

2

0

2

 

2

3

0

0

0

 

0

10

5

7

2

9

8

0

0

4

 

0

6

3

6

5

         

 

5.更新矩阵:

(1)对没有被线划到的数中,找到最小的数。

(2)对没有被线划到的数中,减去最小的数。

(3)对被2条线划到的数中,加上最小的数。

 

7

0

2

0

2

4

3

0

0

0

0

8

3

5

0

11

8

0

0

4

0

4

1

4

3

 

6.重复3-5直到成功。

0

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

 

sum = 7+6+9+6+4 = 32

 

练习:http://soj.me/show_problem.php?pid=1002&cid=1085

 

注意题目是求最大值,所以需要对矩阵做一点处理。

代码:

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <climits>
using namespace std;

#define Max 17
int n;                    //维数 
int s[Max][Max];        //原始矩阵 
int p[Max][Max];        //归约矩阵 
int q[Max][Max];        //0:未被画线 1:画了1次 2: 画了2次(交点) 
int row[Max], col[Max];    //行列0元素个数 
int r[Max][Max];        //0:非0元素 1:非独立0元素 2:独立0元素 
int x[Max],y[Max];        //画线时是否被打勾,1是0不是 

//数每行每列的0元素个数 
void countZero()
{
    memset(row, 0, sizeof(row));
    
    memset(col, 0, sizeof(col));
    
    memset(r, 0, sizeof(r));
    
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < n; ++j)
        {
            if (p[i][j] == 0)
                row[i]++, col[j]++;
        }
    }
}

//画最少的线覆盖所有0元素 
int drawLine()
{    
    memset(q, 0, sizeof(q));
    
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        x[i] = 1, y[i] = 0;
    
    //row 对所有不含独立0元素的行打勾! 
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < n; ++j)
        {
            if (r[i][j] == 2)
            {
                x[i] = 0;
                
                break;
            }
        }
    }
    
    bool is = 1;
    while (is)    //循环直到没有勾可以打 
    {
        is = 0;
        //col 对打勾的行中含0元素的未打勾的列打勾 
        for (int i = 0; i < n; ++i)
        {
            if (x[i] == 1)
            {
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                {
                    if (p[i][j] == 0 && y[j] == 0)
                    {
                        y[j] = 1;
                        
                        is = 1;
                    }
                }
            }
        }
        
        //row 对打勾的列中含独立0元素的未打勾的行打勾 
        for (int j = 0; j < n; ++j)
        {
            if (y[j] == 1)
            {
                for (int i = 0; i < n; ++i)
                {
                    if (p[i][j] == 0 && x[i] == 0 && r[i][j] == 2)
                    {
                        x[i] = 1;
                        
                        is = 1;
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    //没有打勾的行和有打勾的列画线,这就是覆盖所有0元素的最少直线数 
    int line = 0;
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        if (x[i] == 0)
        {
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                q[i][j]++;
                
            line++;
        }
        
        if (y[i] == 1)
        {
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                q[j][i]++;
                
            line++;
        }
    }
    
    return line;
}

//找独立0元素个数 
/*1.找含0最少的那一行/列    2.划掉,更新该行/列0元素所在位置的row[],col[]
  3.直到所有0被划线,这里定义为row[]col[]全为INT_MAX,表示该行/列无0元素*/ 
int find()
{
    countZero();
    
    int zero = 0;     //独立0元素的个数 
    
    while (1)
    {
        //row[i] = INT_MAX表示该行无0元素,防止与*min_element()冲突 
        for (int i = 0; i < n; ++i)
        {
            if (row[i] == 0)
                row[i] = INT_MAX;
            if (col[i] == 0)
                col[i] = INT_MAX;
        }
        
        bool stop = 1;
        
        if (*min_element(row, row+n) <= *min_element(col, col+n))    //行最少0元素 
        {
            //找含0最少的那一行 
            int tmp = INT_MAX, index = -1;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
            {
                if (tmp > row[i])
                    tmp = row[i], index = i;
            }
            
            /*找该行任意一个没被划掉的0元素(独立0元素),找到一个就行*/ 
            int index2 = -1;            //该行独立0元素的列值
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[index][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)
                {
                    index2 = i;
                    stop = 0;            //找到独立0元素则继续循环 
                    zero++;                //独立0元素的个数 
                    break;
                }
            
            //找不到独立0元素了 
            if (stop)    
                break;
                
            //标记 
            row[index] = col[index2] = INT_MAX;    
            r[index][index2] = 1;                //独立0元素,等等会++. 
            
            //更新其所在行列的col,row
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[index][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)    //若该行还有0且没被划掉才更新 
                    col[i]--;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[i][index2] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                    row[i]--;
        }
        else                                                        //列最少0元素 
        {
            int tmp = INT_MAX, index = -1;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
            {
                if (tmp > col[i])
                    tmp = col[i], index = i;
            }
        
            int index2 = -1;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[i][index] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                {    
                    index2 = i;
                    stop = 0;
                    zero++;
                    break;
                }
                
            if (stop)
                break;
                
            row[index2] = col[index] = INT_MAX;
            r[index2][index] = 1;
            
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[index2][i] == 0 && col[i] != INT_MAX)
                    col[i]--;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                if (p[i][index] == 0 && row[i] != INT_MAX)
                    row[i]--;
        }
    }
    //r[i][j] 0:非0元素 1:非独立0元素 2:独立0元素 
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        for (int j = 0; j < n; ++j)
            if (p[i][j] == 0)
                r[i][j]++;
                
    return zero;
}

int main()
{
    int m;
    
    cin >> m;
    
    while (m--)
    {    
        cin >> n;
        
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                cin >> s[i][j];
        
        //行归约 
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                p[i][j] = *max_element(s[i], s[i]+n)-s[i][j];    //求和最大 
                //p[i][j] = s[i][j]-*min_element(s[i],s[i]+j);     //求和最小 
        
        //列归约 
        for (int j = 0; j < n; ++j)
        {
            int tmp = INT_MAX;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
            {
                if (tmp > p[i][j])
                    tmp = p[i][j];
            }
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                p[i][j] -= tmp;
        }
        
        while (find() < n)
        {
            drawLine();
            
            //最小的未被划线的数
            int min = INT_MAX;
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                for (int j = 0; j < n; ++j)    
                    if (q[i][j] == 0 && min > p[i][j])
                        min = p[i][j];
            
            //更新未被划到的和交点 
            for (int i = 0; i < n; ++i)
                for (int j = 0; j < n; ++j)
                    if (q[i][j] == 0)
                        p[i][j] -= min;
                    else if (q[i][j] == 2)
                        p[i][j] += min;        
        }

        //求和 
        int ans = 0;
        for (int i = 0; i < n; ++i)
            for (int j = 0; j < n; ++j)
                if (r[i][j] == 2)
                    ans += s[i][j];
                    
        cout << ans << endl;
    }
}
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原文地址:https://www.cnblogs.com/chenyg32/p/3293247.html