【网络流24题】P4016 负载平衡问题 最小费用最大流

该博客介绍了如何运用图论中的最小费用最大流算法解决一个实际问题,即在一个沿铁路线环形排列的仓库系统中,如何以最小的搬运量使得所有仓库的库存数量相等。通过构建网络流图,将库存正负值转化为流量,并设置费用,最终通过求解最小费用最大流得到最优解决方案。文章详细阐述了算法实现过程和关键代码,展示了如何将抽象问题转化为计算机科学中的经典算法进行求解。

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题目描述
GG 公司有 nn 个沿铁路运输线环形排列的仓库,每个仓库存储的货物数量不等。如何用最少搬运量可以使 nn 个仓库的库存数量相同。搬运货物时,只能在相邻的仓库之间搬运。

思路:可以唯一确定最后各自都相等时的值each=sum/neach = sum/neach=sum/n。将a[i]重新赋值为a[i] -= each。
建图:对于a[i]为正的部分,相当于流出量,由s连出。对于a[i]为负的部分,相当于流入量,连向t,费用都为0。然后相邻的再连边,流量为inf,费用为1(相当于每个数流动时需要消耗1点花费)。这个时候求个最小费用最大流即可。
最大流保证可以平均分配,最小费用保证答案最优。

#include<iostream>
#include<string>
#include<algorithm>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cmath>
#include<map>
#include <queue>
#include<sstream>
#include <stack>
#include <set>
#include <bitset>
#include<vector>
#define FAST ios::sync_with_stdio(false)
#define abs(a) ((a)>=0?(a):-(a))
#define sz(x) ((int)(x).size())
#define all(x) (x).begin(),(x).end()
#define mem(a,b) memset(a,b,sizeof(a))
#define max(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
#define min(a,b) ((a)<(b)?(a):(b))
#define rep(i,a,n) for(int i=a;i<=n;++i)
#define per(i,n,a) for(int i=n;i>=a;--i)
#define endl '\n'
#define pb push_back
#define mp make_pair
#define fi first
#define se second
using namespace std;
typedef long long ll;
typedef pair<ll,ll> PII;
const int maxn = 2e2+200;
const ll inf=0x3f3f3f3f3f3f3f3f;
const double eps = 1e-7;
const double pi=acos(-1.0);
const int mod = 1e9+7;
inline int lowbit(int x){return x&(-x);}
ll gcd(ll a,ll b){return b?gcd(b,a%b):a;}
void ex_gcd(ll a,ll b,ll &d,ll &x,ll &y){if(!b){d=a,x=1,y=0;}else{ex_gcd(b,a%b,d,y,x);y-=x*(a/b);}}//x=(x%(b/d)+(b/d))%(b/d);
inline ll qpow(ll a,ll b,ll MOD=mod){ll res=1;a%=MOD;while(b>0){if(b&1)res=res*a%MOD;a=a*a%MOD;b>>=1;}return res;}
inline ll inv(ll x,ll p){return qpow(x,p-2,p);}
inline ll Jos(ll n,ll k,ll s=1){ll res=0;rep(i,1,n+1) res=(res+k)%i;return (res+s)%n;}
inline ll read(){ ll f = 1; ll x = 0;char ch = getchar();while(ch>'9'||ch<'0') {if(ch=='-') f=-1; ch = getchar();}while(ch>='0'&&ch<='9') x = (x<<3) + (x<<1) + ch - '0',  ch = getchar();return x*f; }
int dir[4][2] = { {1,0}, {-1,0},{0,1},{0,-1} };

const int V = 300, E = 1500;

ll head[V], pnt[E], nxt[E], cost[E], f[E], pre[E], node[E],cur[V], e = 0;

ll d[maxn];
ll vis[maxn];
ll flow[maxn];
ll a[maxn];
ll n, m;
ll s,t;
ll maxFlow = 0;
ll minCost = 0;

inline void addedge(ll u, ll v, ll ff, ll money)
{
    pnt[e] = v;
    node[e] = u;
    cost[e] = money;
    f[e] = ff;
    nxt[e] = head[u];
    head[u] = e++;
}

inline void autoAdd(ll u, ll v, ll ff, ll money)
{
    addedge(u,v,ff,money), addedge(v,u,0,-money);
}

bool SPFA()
{
    mem(d,inf);
    mem(vis,0);
    queue<ll> q;
    q.push(s);
    vis[s] = 1, d[s] = 0, pre[t] = -1;
    while(!q.empty())
    {
        ll now = q.front();
        q.pop();
        vis[now] = 0;
        for(ll j = head[now]; j != -1; j = nxt[j])
        {
            ll i = pnt[j];
            ll val = cost[j];
            ll curFlow = f[j];
            if(i!=now&&curFlow>0&&d[i]>d[now]+val)
            {
                d[i] = d[now] + val;
                if(!vis[i])
                {
                    vis[i] = 1;
                    q.push(i);
                }
            }
        }
    }
    return d[t]!=inf;
}

ll dfs(ll u, ll low)
{
    if(u==t)
    {
        vis[t] = 1;
        maxFlow += low;
        return low;
    }
    int used = 0;
    vis[u] = 1;
    for(ll i=head[u]; i!=-1; i=nxt[i])
    {
        ll v = pnt[i];
        if((!vis[v]||v==t)&&f[i]&&d[v]==d[u]+cost[i])
        {
            ll mi = dfs(v,min(low-used,f[i]));
            if(mi) minCost += cost[i]*mi, f[i] -= mi, f[i^1] += mi, used += mi;
            if(used==low) break;
        }
    }
    return used;
}


void MCMF(int s, int t)
 {
     while(SPFA())
     {
        vis[t] = 1;
        while(vis[t])
        {
            mem(vis,0);
            dfs(s,inf);
        }
     }
 }

int main()
{
    n = read();
    mem(head,-1);

    ll sum = 0;
    rep(i,1,n) a[i] = read(), sum += a[i];
    ll each = sum/n;
    rep(i,1,n) a[i] -= each;
    s = 0, t = n+1;
    rep(i,1,n)
    {
        if(a[i]>0) autoAdd(s,i,a[i],0);
        else if(a[i]<0) autoAdd(i,t,-a[i],0);
    }
    rep(i,2,n)
    {
        autoAdd(i-1,i,inf,1);
		autoAdd(i,i-1,inf,1);
    }
    autoAdd(1,n,inf,1);
    autoAdd(n,1,inf,1);
    MCMF(s,t);
    cout<<minCost<<endl;
    return 0;
}

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