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数学花园漫游记:最大流问题解析

时间:2023-07-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:图论的另一个有趣的问题,是最大流问题。最大流的问题不一定是运输问题。我们就可以把这个问题转化成最大流问题,画出图来研究。这篇文章中介绍的最大流问题,就是一种能够解决组合最优化问题的办法。正如文中所说,最大流问题是一类应用极为广泛的问题。相信你们在今后的学习和生活中,也会遇到很多次最大流问题,别忘了,我们也可以试着画一画,想一想,解决这个问题的。

数学花园漫游记:最大流问题解析

图论的另一个有趣的问题,是最大流问题。

这个图上的数字,代表各条公路上每分钟可以通过的卡车数。问从A发车到B,每分钟最多可以发多少辆卡车?

从A出发的分路有4条,如果都充分利用,每分钟可以发出1+3+10+7=21辆卡车。但是到达B的4条路,每分钟只可以通过10+5+1+4=20辆卡车。因此不可能充分利用从A出发的4条公路的通车量。

那么,从A每分钟发出20辆卡车,是不是一定能通过呢?也不一定。如果中间有哪一段路比较差,就通过不了。

图论给我们提供一个办法:从左向右,逐渐增加。

我们先决定每分钟发出1辆车,从A经过C和G,到B。

那么从C到G的路上,每分钟还可以增加5辆车;从G到B的路上,每分钟还可以增加9辆车。

现在,我们每分钟再发3辆车,从A经过D、C、G,到B(见下图)。

这样,从C到G的路还有空。我们每分钟让2辆车从A经E、D、C、G到达B点(见下图)。

现在,从G到B的路还有空。我们每分钟让1辆卡车经E、I、D、G到达B点。

继续往下做,就可以得到下图。

这说明最大的车流量是这样组织的:

1辆——从A经C、G到B,

3辆——从A经D、C、G到B,

2辆——从A经E、D、C、G到B,

1辆——从A经E、I、D、G到B,

2辆——从A经E、I、H、G到B,

3辆——从A经E、I、H到B,

1辆——从A经E、F、I到B,

3辆——从A经F、I、J到B,

1辆——从A经F、I到B。

合计每分钟从A发出17辆车。(www.xing528.com)

如果线路上有立体交叉,就得用另外的方法。

如果道路网设计得不好,各段不能互相配合,就需要编排车辆最大流量的调度方案。

建设工地上,在受到战争破坏的地区,做出这样的车辆调度方案更是必须的。

最大流的问题不一定是运输问题。

比如,一个小组有5个同学A、B、C、D、E,需要完成5件工作a、b、c、d、e。但是这5个同学,每人只会做5种工作中的两种;每种工作,又只有两个人会做。应该怎样安排才妥当呢?

我们就可以把这个问题转化成最大流问题,画出图来研究。图上的直线表示谁会做哪种工作。

我们把这个图扩充为:

图上X表示工作安排,相当于发车点;y表示工作结果,相当于车的到达点。然后求出最大流。

1辆——从X经A、c到Y,

1辆——从X经B、b到Y,

1辆——从X经C、d到Y,

1辆——从X经D、e到Y,

1辆——从X经E、a到Y。

这就找到了分配工作的方案:A做c,B做b,C做d,D做e,E做a。如果不先研究好,随意分配,就可能行不通。比如让A做a,C做d,那么E就无工作可做了。

图论的实用价值很大,又包含许多极有趣的问题,所以研究的人不少。

名师导读

我们在生活中经常会遇到车流拥挤,人流拥堵的情况,那么运用我们的数学知识,能否帮助人们解决这些困扰呢?这篇文章中介绍的最大流问题,就是一种能够解决组合最优化问题的办法。正如文中所说,最大流问题是一类应用极为广泛的问题。例如在交通网络中有人流、车流、货物流,供水网络中有水流,金融系统中有现金流,等等。

那么,最大流问题是要解决什么呢?就是通过对问题的讨论,研究出如何充分利用组合的方法,使得运输的流量最大,以求达到最好的效果。

这部分内容也是图论的一部分,所以在解决问题的过程中,我们也如上文那样,通常利用图形来描述事物之间的特定关系,用点代表事物,用连接两点的线表示相应两个事物间具有的这种关系。这样能更清晰的看出各个节点的关系,以便得到最优化的结果。

在小学阶段我们还没有涉及过多的图论知识,不过前面我们已经看过“四色问题”,这也是图论知识中的一个重要问题。相信你们在今后的学习和生活中,也会遇到很多次最大流问题,别忘了,我们也可以试着画一画,想一想,解决这个问题的。期待你的表现哦。

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