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第七章圖與網(wǎng)絡(luò)分析

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第七章圖與網(wǎng)絡(luò)分析

第七章 圖與網(wǎng)絡(luò)分析圖與網(wǎng)絡(luò)分析(Graph Theory and Network Analysis),是近幾十年來運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展迅速、而且十分靈活的一個(gè)分支。由于它對(duì)實(shí)際問題的描述,具有直觀性,故廣泛應(yīng)用與物理學(xué)、化學(xué)、信息論、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、以及現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)管理科學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域。圖與網(wǎng)絡(luò)分析的內(nèi)容十分豐富。本章只介紹圖與網(wǎng)絡(luò)的基本概念以及圖論在路徑問題、網(wǎng)絡(luò)流問題等領(lǐng)域中應(yīng)用。重點(diǎn)講明方法的物理概念、基本概念及計(jì)算步驟。1 圖與網(wǎng)絡(luò)的基本概念 定義1 圖是由表示具體事物的點(diǎn)(頂點(diǎn))的集合V=v1,v2,,vn和表示事物之間關(guān)系邊的集合E=e1,e2,,em所組成,且E中元素ei是由V中的無序元素對(duì)vi,vj表示,即ei=vi,vj,記為G=(V,E),并稱這類圖為無向圖。例如,圖7-1中,有條邊,個(gè)頂點(diǎn),即V=v1,v2,v6;E=e1,e2,e8其中 e1 = v1 , v2 = v2 , v1; e7 = v2 , v5 = v5 , v2; e2 = v2 , v3 = v3 , v2; e6 = v4, v5 = v5 , v4.定義()頂點(diǎn)數(shù)和邊數(shù):圖G(,)中,中元素的個(gè)數(shù)稱為圖的頂點(diǎn)數(shù),記作p(G)或簡記為p;中元素的個(gè)數(shù)稱做圖的邊數(shù),記為q(G),或簡記q。()端點(diǎn)和關(guān)聯(lián)邊:若ei=vi,vj,則稱點(diǎn)vi,vj是邊ei的端點(diǎn),邊ei是點(diǎn)vi和vj的關(guān)聯(lián)邊。()相鄰點(diǎn)和相鄰邊:同一條邊的兩個(gè)端點(diǎn)稱為相鄰點(diǎn),簡稱鄰點(diǎn);有公共端點(diǎn)的兩條邊稱為相鄰邊,簡稱鄰邊。()多重邊與環(huán):具有相同端點(diǎn)的邊稱為多重邊或平行邊;兩個(gè)端點(diǎn)落在一個(gè)頂點(diǎn)的邊稱為環(huán)。()多重圖和簡單圖:含有多重邊的圖稱為多重圖;無環(huán)也無多重邊的圖稱為簡單圖。()次:以vi為端點(diǎn)的邊的條數(shù)稱為點(diǎn)vi的次,記作d(vi)。()懸掛點(diǎn)和懸掛邊:次為的點(diǎn)稱為懸掛點(diǎn):與懸掛點(diǎn)相聯(lián)的邊稱為懸掛邊。()孤立點(diǎn):次為零的點(diǎn)稱為孤立點(diǎn)。()奇點(diǎn)與偶點(diǎn):次為奇數(shù)的點(diǎn)稱為奇點(diǎn);次為偶數(shù)的點(diǎn)稱為偶點(diǎn)。例如,圖7-1中,p(G)=8,q(G)=6;e3=v4,v3,v4與v3是e3的端點(diǎn),e3是v4和v3的關(guān)聯(lián)邊;v2與v5是鄰點(diǎn),e3與e2是鄰邊;e7與e8是多重邊,e4是一個(gè)環(huán);圖.是一個(gè)多重圖;v1是懸掛點(diǎn),e是懸掛邊;v是孤立點(diǎn);v是奇點(diǎn),v是偶點(diǎn)。定理圖(,)中,所有點(diǎn)的次之和是邊數(shù)的兩倍。即。定理是顯然的,因?yàn)樵谟?jì)算各點(diǎn)的次時(shí),每條邊都計(jì)算兩次,于是圖中全部頂點(diǎn)的次之和就是邊數(shù)的倍。定理任一圖(,)種,奇點(diǎn)的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。證設(shè),分別是中奇點(diǎn)和偶點(diǎn)的集合,由定理可知 (7.)因?yàn)?是偶數(shù),而 也是偶數(shù),故 也必是偶數(shù),由于偶數(shù)個(gè)奇數(shù)才能導(dǎo)致偶數(shù),所以有奇點(diǎn)的個(gè)數(shù)必須為偶數(shù)。定義()鏈在一個(gè)圖(,)中,一個(gè)由點(diǎn)與邊構(gòu)成的交錯(cuò)序列(vi1,ei1, vi2,ei2,,vik-1,eik-1,vik)如果滿足ei t= eit, ei t+1 (t=1,2,k-1), 則稱此序列為一條聯(lián)結(jié)vil, eik,的鏈,記為=(vi1,vi2,,vik),則稱點(diǎn)vi,vi3, vik-1為鏈的中間點(diǎn)。()閉鏈與開鏈:若鏈中vi1vik 即始點(diǎn)與終點(diǎn)重合,則稱此鏈為閉鏈(圈)。否則稱之為開鏈。()簡單鏈與初等鏈:若鏈中,若含的邊數(shù)均不相同,則稱之為簡單鏈;若鏈中,頂點(diǎn)vi1,vi2,,vik都不相同,則稱此鏈為初等鏈。除非特別交代,以后我們討論的均指初等鏈。例如,圖7-1中,1= ( v2,e2, v3,e3, v4,e6, v5) 是一條鏈,由于鏈1里所含的邊和點(diǎn)均不相同,故是一條初等鏈;而2= ( v1,e1, v2,e2, v3,e3, v4,e5,v2,e1,v1) 是一條閉鏈。定義()回路:一條閉的鏈稱為回路。()通路:一條開的初等鏈稱為通路。()簡單鏈回路和初等回路;若回路中的邊都不相同,則稱為簡單回路;若回路中的邊和頂點(diǎn)都互不相同,則稱為初等回路或圈。定義一個(gè)圖的任意兩頂點(diǎn)之間,如果至少有一條通路將它們連接起來,則這個(gè)圖就稱為連通圖,否則稱為不連通圖。例如,圖7-1中,v1與v6沒有一條通路把它們連接起來,故此圖是不連通圖。本章以后討論的圖,除特別聲明外,都是指連通圖。 定義()子圖:設(shè)11,122,2如果1 V2,又1 E2,則稱1為G2的子圖。()真子集:若V1 V2,E1 E2即G1中不包含G2中所有的頂點(diǎn)和邊,則稱G1是G2的真子圖。()部分圖:若V1=V2,E1 E2,即1中不包含G2中所有的邊,則稱G1是G2的一個(gè)部分圖。()支撐子圖:若G1 是G2的部分圖,且G1是連通圖,則稱G1是G2的支撐子圖。()生成子圖:若G1 是G2的真子圖,且G1是不連通圖,則稱G1是G2的生成子圖。例如,圖7-2中,(b)是(a)的真子圖,(c) 是(a)的部分圖,(d)是(a)上午支撐子圖,(e)是(a)的生成子圖。定義7 設(shè)G=(V , E)中,對(duì)任意一條邊eE,如果相應(yīng)都有一個(gè)權(quán)值w(e),則稱G為賦權(quán)圖。w(e) 稱為邊e的權(quán)。圖7-2是一個(gè)賦權(quán)圖。 e1 = v1 , v2 , w(e1) = 1 ; e2 = v1 , v3 , w(e2) = 4 ; e3 = v2 , v3 , w(e3) = 2 e4 = v2 , v4 , w(e4) = 3 ; e5 = v3 , v4 , w(e5) = 1 ; e6 = v2 , v5 , w(e6) = 5 e7 = v4 , v5 , w(e7) = 2 ; e8 = v2 , v5 , w(e8) = 3可見,賦權(quán)圖不僅指出各點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系,而且也表示各點(diǎn)之間的數(shù)量關(guān)系。所以賦權(quán)圖在圖的理論及其應(yīng)用方面有著重要的地位。在很多實(shí)際問題中,事物之間的聯(lián)系是帶有方向性的。例如圖7-4所示。v1表示某一水系的發(fā)源地,v6表示這個(gè)水系的入???,圖中的箭頭則表示各支流的水流方向,圖7-4是水系流向圖??梢妶D7-4中的邊是有方向的,稱這類圖為有向圖。定義8 設(shè)V=v1,v2, ,vn是由n個(gè)頂點(diǎn)組成的非空集合,A=a1,a2,,am是由m條邊組成的集合,且有A中元素ai是V中一個(gè)有序元素對(duì)(vi,vj),則稱V和A構(gòu)成一個(gè)有向圖,記作G= (V , A),ai=(vi,vj)表明vi和vj分別為ai邊的起點(diǎn)和終點(diǎn),稱有方向的邊ai為?。ㄔ趫D中用帶有箭頭的線表示)。例如,圖7-4中,(v1,v2),(v1,v3),(v2,v5)都是A中的元素,A是弧的集合。在有向圖的討論中,類似無向圖,可以對(duì)多重邊、環(huán)、簡單圖、鏈等概念進(jìn)行定義,只是在無向圖中,鏈與路、閉鏈與回路概念是一致的,而在有向圖中,這兩個(gè)概念不能混為一談。概括地說,一條路必定是一條鏈。然而在有向圖中,一條鏈未必是一條路,只有在每相鄰的兩弧的公共結(jié)點(diǎn)是其中一條弧的終點(diǎn),同時(shí)又是另一條弧的始點(diǎn)時(shí),這條鏈才能叫做一條路。例如,圖7-4中,v1,(v1,v2),v2,(v2,v5),v5,(v5,v6),v6是一條鏈,也是一條路。而v1,(v1,v2),v2,(v2,v5),v5,(v3,v5),v3是一條鏈但不是一條路。我們還會(huì)碰到這樣一類有向圖(見圖7-5),這是某地區(qū)的交通運(yùn)輸分布、走向及相應(yīng)費(fèi)用示意圖。箭頭表示走向,箭頭旁邊的數(shù)字表示費(fèi)用,稱這類圖為賦權(quán)有向圖。定義9 設(shè)在有向圖G= ( V,A )中對(duì)任意一條弧aijA,如果相應(yīng)都有一個(gè)權(quán)值w(aij)則稱G為賦權(quán)有向圖。W(aij)稱為弧aij的權(quán)。簡記為wij(權(quán)可以表示距離、費(fèi)用和時(shí)間等)。 在實(shí)際工作中,有很多問題的可行解方案都可以通過一個(gè)賦權(quán)有向圖表示,例如:物流渠道的設(shè)計(jì)、物資運(yùn)輸路線的安排、裝卸設(shè)備的更新、排水管道的鋪設(shè)等、所以賦權(quán)圖被廣泛應(yīng)用于解決工程技術(shù)及科學(xué)管理等領(lǐng)域的最優(yōu)化問題。 通常我們稱賦權(quán)圖為網(wǎng)絡(luò),賦權(quán)有向圖為有向網(wǎng)絡(luò),賦權(quán)無向圖為無向網(wǎng)絡(luò)。本章將在后面幾節(jié)逐一介紹。2 樹及最小樹問題樹是圖論中一個(gè)重要概念,由于樹的模型簡單實(shí)用,它在企業(yè)管理、線路設(shè)計(jì)等方面都有很重要的應(yīng)用。2.1 樹與樹的性質(zhì)例1 例1 某企業(yè)的組織機(jī)構(gòu)如下所示如果用圖表示,見圖7-6是一個(gè)呈樹枝形狀的圖,“樹”的名稱由此而來。圖7-6定義10 一個(gè)無回路(圈)的連通無向圖稱為樹。 樹的性質(zhì)(1)必連通,但無回路(圈);(2)n個(gè)頂點(diǎn)的樹必有n-1條邊;(3)樹中任意兩點(diǎn)間,恰有一條初等鏈;(4)樹連通,但去掉任意一條邊,必變?yōu)椴贿B通;(5)樹無回路(圈),但不相鄰頂點(diǎn)連一條邊,恰得一回路(圈)。2.2 支撐樹與最小樹定義11 設(shè)圖 是圖 的支撐子圖,如果是一棵樹 ,記 。則稱 是 的一棵支撐樹。 定理3 圖G有支撐樹的充分必要條件是圖G是連通的。證 必要性是顯然的。充分性:設(shè)G是連通圖。(i)如果G不含圈,由定義10可知,G本身就是一棵樹,從而G是它自身的支撐樹。(ii)如果G含圈,任取一圈,從圈中任意去掉一條邊,得到圖G的一個(gè)支撐子圖G1。如果G1不含圈,那么G1是G的一棵支撐樹(因?yàn)橐滓奊1是連通的);如果G1仍含圈,那么從G1中任取一個(gè)圈,從圈中再任意去掉一條邊,得到圖G的一個(gè)支撐子圖G2,如此重復(fù),最終可以得到G的一個(gè)支撐子圖Gk,它不含圈,則Gk是圖G的一棵支撐樹。由以上充分性的證明中,提供了一個(gè)尋求連通圖的支撐樹的方法。稱這種方法為“破圈法”。例2 在圖7-2(a)中,用破圈法求出圖的一棵支撐樹。解: 取一圈v1 e1 v2 e3 v3 e2 v1去掉e3;取一圈v1 e1 v2 e4 v4 e5 v3 e2 v1去掉e5;取一圈v2 e4 v4 e7 v5 e6 v2去掉e7;取一圈v1 e1 v2 e6 v5 e8 v3 e2 v1去掉e6;如圖7-7所示,此圖是圖7-2(a)的一個(gè)支撐子圖,且為一棵樹(無圈),所以我們找到一棵支撐樹T1=V,E1,其中E1=e1,e4,e2,e8。7-2(a)不難發(fā)現(xiàn),圖的支持樹不是唯一的,對(duì)于上例若這樣做:取一圈v1 e1 v2 e3 v3 e2 v1去掉e3;取一圈jv1 e1 v2 e4 v5 e5 v3 e2 v1去掉e4;取一圈v1 e1 v2 e6 v5 e8 v3 e2 v1去掉e6;取一圈v4 e7 v5 e8 v3 e5 v4去掉e8。如圖7-8所示,得到圖7-2(a)的另一棵支撐樹T2=V,E2,其中,E2=e1,e2,e5,e7。求圖G的支撐樹還有另一種方法“避圈法”,主要步驟是在圖中任取一條邊e1,找出一條不與e1構(gòu)成圈的邊e2,再找出不與e1,e2構(gòu)成圈的邊e3。一般地,設(shè)已有e1,e2,,ek,找出一條不與e1,e2,,ek構(gòu)成圈的邊ek+1,重復(fù)這個(gè)過程,直到不能進(jìn)行下去為止。這是,由所有取出的邊所構(gòu)成的圖是圖G的一棵支撐樹。定義12 設(shè)T=(V,)是賦權(quán)圖G=(V,E)的一棵支撐樹,稱中全部邊上的權(quán)數(shù)之和為支撐樹T的權(quán),記為w(T)。即 (7.2)如果支撐樹T*的權(quán)W(T*)是G的所有支撐樹的權(quán)中最小者,則稱T*是G的最小支撐樹,簡稱最小樹。即 (7.3)式中對(duì)G的所有支撐樹T取最小。求最小樹通常用以下兩種方法。(1).破圈法:在給定連通圖G中,任取一圈,去掉一條最大權(quán)邊(如果有兩條或兩條以上的邊都是權(quán)最大的邊,則任意去掉其中一條邊),在余圖中(是圖G的支撐子圖)任取一圈,去掉一條最大權(quán)邊,重復(fù)下去,直到余圖中無圈為止,即可得到圖G的最小樹。例3 用破圈法求解圖7-3的最小樹。解: 取一圈v1 e1 v2 e3 v3 e2 v1去掉e2;取一圈v2 e6 v5 e8 v3 e3 v2去掉e6;取一圈v2 e4 v4 e5 v3 e3 v2去掉e8;取一圈v4 e7 v5 e8 v3 e5 v4去掉e8。如圖7-9所示,得到一棵支撐樹,即為所求最小樹T*,w(T*)=1+2+1+2=6。(2)避圈法(kruskal算法):在連通圖G中,任取權(quán)值最小的一條邊(若有兩條或兩條以權(quán)數(shù)相同且最小,則任取一條),在未選邊中選一條權(quán)值權(quán)值最小的邊,要求所選邊與已選邊不構(gòu)成圈,重復(fù)下去,直到不存在與已選邊不構(gòu)成圈的邊為止。已選邊與頂點(diǎn)構(gòu)成的圖T就是所求最小樹。算法的具體步驟如下:第1步:令i=1,E0=(空集)。第2步:選一條邊eiEEi,且ei是使圖Gi=(V , Ei-1e)中不含圈的所有邊中權(quán)最小的邊e(eEEi)。如果這樣的邊不存在,則T=(V,Ei-1)是最小樹。第3步:把i換成i+1,返回第2步。例4 用避圈法求圖7-3的最小樹。解 在e1,e2,,e8中權(quán)值最小的邊有e1,e5,從中任取一條e1;在e2,e3,,e8中選取權(quán)值最小的邊e5;在e2,e2,,e8中權(quán)值最小的邊有e3,e7,從中任取一條邊e3;在e2,e4,e6,e7,e8中選取e7;在e2,e4,e6,e8中選取e4,e8。但e4與e8都會(huì)與已選取邊構(gòu)成圈,故停止。得到與圖7-9一樣的結(jié)果。結(jié)果。3 最短路問題最短路問題是網(wǎng)絡(luò)分析中的一個(gè)基本問題,它不僅可以直接應(yīng)用于于解決生產(chǎn)實(shí)際的許多問題,若管道鋪設(shè)、線路安排、廠區(qū)布局等,而且經(jīng)常被作為一個(gè)基本工具,用于解決其它的優(yōu)化問題.定義 13 給定一個(gè)賦權(quán)有向圖D = (V,A),記D中每一條弧 上的權(quán)為 。給定D中一個(gè)起點(diǎn) 和 終點(diǎn),設(shè)P是D中從 到 的一條路.則定義路P的權(quán)是P中所有弧的權(quán)之和.記為 ,即 (7.4)又若P*是D圖中 到 的一條路,且滿足 (7.5)式中對(duì)D的所有從 到 的路P取最小,則稱P*為從 到 的最短路, 為 從 到的最短距離.在一個(gè)圖D=(V,A)中,求從 到 的最短路和最短距離的問題就稱為最短路問題. 3.1 Dijkstra標(biāo)號(hào)法下面介紹在一個(gè)賦權(quán)有向圖中尋求最短路的方法,這種方法實(shí)際上求出了從給定到任一個(gè)頂點(diǎn)的最短路.如下事實(shí)是經(jīng)常要利用的,即如果P是D中從到的最短路,是P中的一點(diǎn),那么從沿P到路也是從到的最短路.事實(shí)上,如果這個(gè)結(jié)論不成立,設(shè)Q是從到的最短路,令P/是從沿Q到達(dá),再從沿P到達(dá)的路,那么P/的權(quán)就比P的權(quán)小,這與P是從到的最短路矛盾.Dijkstra算法是沒有前公認(rèn)最好的方法,它適合所有的的情形.Dijkstra算法是一種標(biāo)記法,它的基本思路是從起點(diǎn) 出發(fā),逐步向外探尋最短路,執(zhí)行過程中,給每一個(gè)頂點(diǎn) 標(biāo)號(hào) .其中 是正數(shù),它表示獲得此標(biāo)號(hào)的前一點(diǎn)的下標(biāo); 或表示從起點(diǎn) 到該點(diǎn) 的最短路的權(quán)(稱為固定標(biāo)號(hào),記為P標(biāo)號(hào))或表示從起點(diǎn) 到該點(diǎn) 的最短路的權(quán)的上界(稱為臨時(shí)標(biāo)號(hào),記為T標(biāo)號(hào)).方法的每一步是去修改T標(biāo)號(hào),并且把某一個(gè)具有T標(biāo)號(hào)的點(diǎn)改變?yōu)榫哂蠵標(biāo)號(hào)的點(diǎn),從而使D中具有標(biāo)號(hào)的頂點(diǎn)數(shù)為多一個(gè).這樣至多經(jīng)過p-1步,就可以求出從到及各點(diǎn)的最短路.再根據(jù)每一點(diǎn)的第一個(gè)數(shù)反向追蹤找出最短路徑.用P,T分別表示某個(gè)頂點(diǎn)的P標(biāo)號(hào)、T標(biāo)號(hào),表示在第i步已具有P標(biāo)號(hào)點(diǎn)的集合.Dijkstra算法的具體步驟:(1)開始時(shí),令 (1)如果 ,算法終止.這時(shí),對(duì)每個(gè) ;否則轉(zhuǎn)下一步。(2) 設(shè) 是剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn).考察每個(gè)使 修改為即 (7.6)如果 則把T(vj)修改為 ,把 修改為 ;否則不修改.(3)令. (7.7)如果 ,則把 的T標(biāo)號(hào)變?yōu)镻標(biāo)號(hào),即令 ,令 ,k=ji,把i換成i+1,返回(1);否則終止,這時(shí)對(duì)每一個(gè) 有 ;而對(duì)每一個(gè) ,有 . 例1 如圖7-10所示是某地區(qū)交通運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D.試問:從 出發(fā),經(jīng)哪條路線到達(dá) 才能使總行程最短?用Dijkstra算法求解.解 開始時(shí) , ,令 (j=2,3,,8),k=1.即給起點(diǎn) 標(biāo)(0,0),給其余的點(diǎn)表(1, ).這時(shí) 為獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),其余均為T標(biāo)號(hào)點(diǎn).考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-11):因,故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為 ,這時(shí)。同理,得,.(見圖7-11).其余點(diǎn)的T標(biāo)號(hào)不變.在所有的T標(biāo)號(hào)中,最小的為, 于是令.i=1:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-12):因,故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為 。這時(shí),同理得在所有的T標(biāo)號(hào)中,最小的為,于是令,=3.i=2:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-13).因,故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為同理得.在所有的T標(biāo)號(hào)中,最小的為()=5,于是令,=4.i=3:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn).考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-14).因?yàn)?。故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為.這時(shí)的臨時(shí)標(biāo)號(hào)不修改,故=3,同理得在所有的臨時(shí)標(biāo)號(hào)中,最小的為,i=4:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-15):因?yàn)楣拾训呐R時(shí)標(biāo)號(hào)修改為.這時(shí),同理得.在所有的臨時(shí)標(biāo)號(hào)中,最小的為,于是令,。i=5:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-16):因?yàn)?,故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為 。這時(shí).這所有的臨時(shí)標(biāo)號(hào)中,最小的為,于是令,.i=6:這時(shí)為剛獲得P標(biāo)號(hào)的點(diǎn),考察與相鄰的點(diǎn)(見圖7-17):因?yàn)?故把的臨時(shí)標(biāo)號(hào)修改為 .這時(shí)的臨時(shí)標(biāo)號(hào)不修改,故. 最后只剩下一個(gè)臨時(shí)標(biāo)號(hào),故令 。至此已找到從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短距離為12.再根據(jù)第一個(gè)標(biāo)號(hào)反向追蹤求出最短路徑為: 事實(shí)上,按照這個(gè)算法,也找出了起點(diǎn)到各個(gè)中間點(diǎn)的最短路徑和最短距離.例如 就是從到最短路徑,距離為8.為了簡化計(jì)算,還可以采用每次只記錄從起點(diǎn)到各點(diǎn)的最短距離或上界的方法.為此我們引入記號(hào) 表示在第i次標(biāo)號(hào)中各點(diǎn)的距離和上界.例如上例中,我們也可以接如下方式進(jìn)行:有“*”號(hào)的點(diǎn)表示P標(biāo)號(hào)點(diǎn).最后按后面的軌跡記錄反向追蹤可求得從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路,且最后一輪標(biāo)號(hào)中所表示的就是從起點(diǎn)到各點(diǎn)的最短距離.另外,本算法在給某個(gè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)時(shí),也可以通過找該點(diǎn)的各個(gè)來源點(diǎn)的方法來實(shí)現(xiàn),具體作法如下:開始時(shí),給起點(diǎn)標(biāo)(0,0),即一般地,在給起點(diǎn)標(biāo)號(hào)時(shí),要找出所有與有弧相聯(lián)且箭頭指向的各點(diǎn)(稱為的來源點(diǎn)),不妨設(shè)是的來源點(diǎn),其標(biāo)號(hào)為為弧的權(quán)值 ,則給點(diǎn)標(biāo)以(,l(),其中 根據(jù)別爾曼優(yōu)化原理,由始點(diǎn)到的最短路徑必是由到某個(gè)的最短路徑再加上弧(,)的權(quán)值。是到最短路徑的點(diǎn),且是的來源點(diǎn),顯然,是到最段路徑的長度,所以給每個(gè)頂點(diǎn)以標(biāo)號(hào)即可獲得最短路徑和長度的信息.下面,以圖7-10為例,說明標(biāo)號(hào)法的具體過程.首先給始點(diǎn)標(biāo)號(hào),第一個(gè)標(biāo)號(hào)表示的是來源點(diǎn),第二個(gè)標(biāo)號(hào)表示.由于是始點(diǎn),故令始點(diǎn)的第一個(gè)標(biāo)號(hào)為0,令,于是得到始點(diǎn)的標(biāo)號(hào)(0,0).點(diǎn)的來源是,且可由(7.8)計(jì)算即 得到的標(biāo)號(hào)(,3).點(diǎn)的來源點(diǎn)有,計(jì)算 ,得到的標(biāo)號(hào)(,4).的來源點(diǎn)有,計(jì)算 于是得到的標(biāo)號(hào)(,5).的來源有,,但還未標(biāo)號(hào),而的來源點(diǎn),都已經(jīng)獲得標(biāo)號(hào),故可計(jì)算 。因而得到的標(biāo)號(hào)(,6).計(jì)算 故的標(biāo)號(hào)為(,8).的來源點(diǎn)是, ,計(jì)算 ,得到的標(biāo)號(hào)(,7).最后終點(diǎn)的來源點(diǎn)是,計(jì)算 ,所以在終點(diǎn)處標(biāo)上(,12),標(biāo)號(hào)過程結(jié)束,見圖7-18所示.我們沿著第一個(gè)標(biāo)號(hào),由終點(diǎn)反向跟蹤,很容易求得該網(wǎng)絡(luò)最短路徑,而終點(diǎn)的第二個(gè)標(biāo)號(hào)就是此最短路長度.上述標(biāo)號(hào)過程中,不僅可以求得到的最短路,而且從到(=2,3,4,5,6,7)的最短路都可求得.例如,到的最短路是,最短路長度為8.歸納上述例子,可以總結(jié)標(biāo)號(hào)法一般步驟如下:(1) (1) 始點(diǎn) 標(biāo)以(0.0);(2) (2) 考慮需要標(biāo)號(hào)的頂點(diǎn) ,設(shè) 的來源點(diǎn) 均已獲得標(biāo)號(hào),則 處應(yīng)標(biāo)以 ,其中 按(7.8)式確定.(3) (3) 重復(fù)第(2)步,直至終點(diǎn) 也獲得標(biāo)號(hào)為止, 就是最短路徑的長度.(4) (4) 確定最短路徑,從網(wǎng)絡(luò)終點(diǎn)的第一個(gè)標(biāo)號(hào)反向跟蹤,即得到網(wǎng)絡(luò)的最短路徑.以上例1是非負(fù)權(quán)(即 )網(wǎng)絡(luò)最短路徑的求解,對(duì)于含有負(fù)權(quán)(即網(wǎng)絡(luò)的情形,此標(biāo)號(hào)法也是適用的,請(qǐng)看下面例題. 例 2 求圖7-19所示從始點(diǎn) 到各點(diǎn)的最短路徑.解 首先在始點(diǎn) 標(biāo)以(0,0),然后在處標(biāo)以( ,-2),由于所以在和處依次標(biāo)以(,-5)和(,-7),然后在處標(biāo)以(,-1).由于 所以在和處分別標(biāo)以(,-4)和(,-5)最后由于 所以在終點(diǎn)處應(yīng)標(biāo)以(,3).所有點(diǎn)都獲得標(biāo)號(hào),標(biāo)號(hào)結(jié)果見圖7-20,反追蹤得到 至 的最短路為 .長度為3.4 網(wǎng)絡(luò)最大流問題網(wǎng)絡(luò)最大流問題是網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)基本問題。許多系統(tǒng)包含了流量問題。例如交通系統(tǒng)有車流量,金融系統(tǒng)有現(xiàn)金流,控制系統(tǒng)有信息流等。許多流問題主要是確定這類系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所能承受的最大流量以及如何達(dá)到這個(gè)最大流量。4.1 基本概念與定理1 1 網(wǎng)絡(luò)與流定義14 (1)網(wǎng)絡(luò):例1 如圖7-20是連結(jié)某產(chǎn)品產(chǎn)地 和銷地 的交通圖?;?表示從 到 的運(yùn)輸線,弧旁的數(shù)字表示這條運(yùn)輸線的最大通過能力 ,括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示該弧上的實(shí)際流 。現(xiàn)要求制定一個(gè)運(yùn)輸方案,使從 運(yùn)到 的產(chǎn)品數(shù)量最多??尚辛髋c最大流在運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際問題中,我們可以看出,對(duì)于流有兩個(gè)基本要求: 一是每條弧上的流量必須是非負(fù)的且不能超過該弧的最大通過能力(即該弧的容量);二是起點(diǎn)發(fā)出的流的總和(稱為流量),必須等于終點(diǎn)接收的流的總和,且各中間點(diǎn)流入的流量之和必須等于從該點(diǎn)流出的流量之和,即流入的流量之和與流出的流量之和的差為零,也就是說各中間點(diǎn)只起轉(zhuǎn)運(yùn)作用,它既不產(chǎn)出新的物資,也不得截留過境的物資。因此有下面所謂的可行流的定義。定義14 對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)和給定的流 ,若 滿足下列條件:(1) (1) 容量限制條件:對(duì)每一條弧 ,有 (7.9)(2)平衡條件:對(duì)于中間點(diǎn):流出量=流入量,即對(duì)于每一個(gè)i (is,t),有 (7.10)對(duì)于出發(fā)帶點(diǎn) ,有 (7.11)對(duì)于收點(diǎn) ,有 (7.12)則稱 為一個(gè)可行流, 稱為這個(gè)可行流的流量。注意,我們這里所說的出發(fā)點(diǎn) 是指只有從 發(fā)出去的弧,而沒有指向 的??;收點(diǎn) 是指只有弧指向 ,而沒有從它的發(fā)出去的弧??尚辛骺偸谴嬖诘?。例如令所有弧上的流 ,就得到一個(gè)可行流,(稱為零流),其流量 。如圖7-20中,每條弧上括號(hào)內(nèi)的數(shù)字給出的就是一個(gè)可行流 ,它顯然滿足定義中的條件(1)和(2)。其流量 。所謂網(wǎng)絡(luò)最大流問題就是求一個(gè)流 ,使得總流量 達(dá)到最大,并且滿足定義15中的條件(1)和(2),即max (7.13)網(wǎng)絡(luò)最大流問題是一個(gè)特殊的線性規(guī)劃問題。我們將會(huì)看到利用圖的特點(diǎn),解決這個(gè)問題的方法較直線性規(guī)劃的一般方法要簡便和直觀的多。例2 寫出圖7-20所表示的網(wǎng)絡(luò)最大流問題的線性規(guī)劃模型。解 設(shè) ,則其線性規(guī)劃模型為 max 3. 增廣鏈 在網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中,若給定一個(gè)可行流 ,我們把網(wǎng)絡(luò)中使 的弧稱為飽和弧,使 的弧稱為非飽和弧。把 的弧稱為零流弧,把 的稱為非零流弧。如圖7-20中的弧都是非飽和弧,而弧 為零流弧。若 是網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)結(jié)發(fā)點(diǎn) 和收點(diǎn) 的一條鏈,我定義鏈的方向是從 到 S ,則鏈上的弧被分為兩:一類是:弧的方向與鏈的方向一致,我們稱此類和為前向弧,所有前向弧的集合記為 。另一類是:弧的方向與鏈的方向一致,我們稱此類弧為后向弧,所有后向弧的集合記為 。如圖7-20中,設(shè)是一條從 到 的鏈,則, 定義15 設(shè) 是網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)上的一個(gè)可行流, 是從 到 的一條鏈,若 滿足下列條件:(1)在弧 (vi,vj)+上,即 中的每一條弧都是非飽和??;(2)在弧 上,即 中的每一條弧都是非零流弧。則稱 是關(guān)于 的一條增廣鏈。如前面所說的鏈就是一條增廣鏈。因?yàn)槠渲?上的弧均非飽和,如(vs,v2) +,fs2=5<cs2=13;而-上的弧為非零流弧,如(v3,v2) -,f32=1>0,。顯然這樣的增廣鏈不止一條。4.截集與截量定義16 給定網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C),若點(diǎn)集V被分割成兩個(gè)非空集合V1和V2,使得V=V1+V2,V1V2=(空集),且vsV1,vtV2,則把始點(diǎn)在V1,終點(diǎn)在V2的弧的集合稱為分離vs和vt的一個(gè)截集,記為(V1,V2)。如圖9.26中,設(shè)V1=vs,v2,v5,V2=v3,v4,v6,vt則截集為 ,而弧(v3,v2)和(v4,v5)不是該集中的弧。因?yàn)檫@兩條弧的起點(diǎn)在V2中,與定義17不符。顯然,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的截集是很多的(但只有有限個(gè)),例如在圖7-20中,還可以取 , ,則截集為 另外,若把網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中某截集的弧從網(wǎng)絡(luò)D中去掉,則從vs到vt便不存在路,所以直觀上說,截集是從vs到vt的必經(jīng)之路。定義17 在網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中,給定一個(gè)截集(V1,V2),則把該截集中所有弧的容量之和,稱為這個(gè)截集的容量,簡稱為截量,記為c(V1,V2),即 C(V1,V2)= (7.16)例如在上面我們所舉的兩個(gè)截集中,有 而 顯然,截集不同,其截量也不同。由于截集的個(gè)數(shù)是有限的,故其中必有一個(gè)截集的容量是最小的,稱為最小截集,也就是通常所說的“瓶頸”。不難證明,網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中,任何一個(gè)可行流f=fij的流量V(f),都不會(huì)超過任一截集的容量,即 v( f ) c(V1,V2) (7.17)如果存在一個(gè)可行流f*=f*ij,網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中有一個(gè)截集 ,使得 (7.18)則 必是最大流,而 必是D中的最小截集。為了求網(wǎng)絡(luò)最大流f*,我們也說明下面的重要定理。定理4 在網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C)中,可行流 是最大流的充要條件是D中不存在關(guān)于f*的增廣鏈。證 先證必要性。用反證法。若f*是最大流,假設(shè)D中存在著關(guān)于f*的增廣鏈,令 (7.19)由增廣鏈的定義可知>0,令 (7.20)不難驗(yàn)證 是一個(gè)可行流,且有 這與f*是最大流的假定矛盾。再證充分性:即證明設(shè)D中不存在關(guān)于f*的增廣鏈,f*是最大流。用下面的方法定義:令 若 ,且有 ,則令 ;若 ,且有 ,則令 。因?yàn)椴淮嬖谥P(guān)于 的增廣鏈,故 記 ,于是得到一個(gè)截集(V*, )。顯然有 所以V(f*)=c ,于是f*必是最大流。定理得證。由上述證明中可見,若 是最大流,則網(wǎng)絡(luò)必定存在一個(gè)截集 ,使得(7.18)式成立。定理5 (最大流最小截集定理)對(duì)于任意給定的網(wǎng)絡(luò)D=(V,A,C),從出發(fā)點(diǎn)vs到收點(diǎn)vt的最大流的流量必等于分割 和 的最小截集 的容量,即由定理4可知,若給定一個(gè)可行流 ,只要判斷網(wǎng)絡(luò)D有無關(guān)于 的增廣鏈。如果有增廣鏈,則可以按定理4前半部分證明中的辦法,由公式(7.19)求出調(diào)整量Q,再按式(7.20)的方法求出新的可行流。如果流有增廣鏈,則得到最大流。而根據(jù)定理4后半部分證明中定義 的辦法,可以根據(jù)vt是否屬于 來判斷D中有無關(guān)于f的增廣鏈。在實(shí)際計(jì)算時(shí),我們是用給頂點(diǎn)標(biāo)號(hào)的方法來定義 的,在標(biāo)號(hào)過程中,有標(biāo)號(hào)的頂點(diǎn)表示是 中的點(diǎn),沒有標(biāo)號(hào)的點(diǎn)表示不是 中的點(diǎn)。一旦有了標(biāo)號(hào),就表明找到一條從vs到vt的增廣鏈;如果標(biāo)號(hào)過程無法進(jìn)行下去,而vt尚未標(biāo)號(hào),則說明不存在從vs到vt的增廣鏈,于是得到最大流。這時(shí)將已標(biāo)號(hào)的點(diǎn)(至少有一個(gè)點(diǎn)vs)放在集合 中,將未標(biāo)號(hào)點(diǎn)(至少有一個(gè)點(diǎn)vt)放在集合 中,就得到一個(gè)最小截集 。4.2 尋求最大流的標(biāo)號(hào)法(Ford , Fulkerson)從一個(gè)可行流出發(fā) (若網(wǎng)絡(luò)中沒有給定 ,則可以設(shè) 是零流),經(jīng)過標(biāo)號(hào)過程與調(diào)整過程。1) 1) 標(biāo)號(hào)過程在這個(gè)過程中,網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)或者是標(biāo)號(hào)點(diǎn)(又分為已檢查和未檢查兩種),或者是未標(biāo)號(hào)點(diǎn),每個(gè)標(biāo)號(hào)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)包含兩部分:第一個(gè)標(biāo)號(hào)表明它的標(biāo)號(hào)是從哪一點(diǎn)得到的,以便找出增廣鏈;第二個(gè)標(biāo)號(hào)是為確定增廣鏈的調(diào)整量用的。標(biāo)號(hào)過程開始,總先給vs標(biāo)上(0,+),這時(shí)vs是標(biāo)號(hào)而未檢查的點(diǎn),其余都是未標(biāo)號(hào)點(diǎn),一般地,取一個(gè)標(biāo)號(hào)而未檢查的點(diǎn)vi,對(duì)一切未標(biāo)號(hào)點(diǎn)vj:(1) 在弧上 , ,則給vj標(biāo)號(hào) 。這里 。這時(shí)點(diǎn)vj成為標(biāo)號(hào)而未檢查的點(diǎn)。(2) 若在弧 上, ,給vj標(biāo)號(hào) 。這里 。這時(shí)點(diǎn)vj成為標(biāo)號(hào)而未檢查的點(diǎn)。于是 成為標(biāo)號(hào)而已檢查過的點(diǎn),重復(fù)上述步驟,一旦 被標(biāo)上號(hào),表明得到一條從 到 的增廣鏈 ,轉(zhuǎn)入調(diào)整過程。若所有標(biāo)號(hào)都是已檢查過,而標(biāo)號(hào)過程進(jìn)行不下去時(shí),則算法結(jié)束,這時(shí)的可行流就是最大流。2) 2 調(diào)整過程首先按 及其它點(diǎn)的第一個(gè)標(biāo)號(hào),利用“反向追蹤”的辦法,找出增廣鏈。例如設(shè)vt的第一個(gè)標(biāo)號(hào)為 (或 ),則弧 (或相應(yīng)地 )是上的弧。接下來檢查 的第一個(gè)標(biāo)號(hào),若為 (或 ),則找出 (或相應(yīng)地 )。再檢查 的第一個(gè)標(biāo)號(hào),依此下去,直到 為止。這時(shí)被找出的弧就構(gòu)成了增廣鏈 。令調(diào)整量是 ,即 的第二個(gè)標(biāo)號(hào)。令 去掉所有的標(biāo)號(hào),對(duì)新的可行流 ,重新進(jìn)入標(biāo)號(hào)過程。下面,以例題說明此算法求解過程。例3 用標(biāo)號(hào)法求圖7-20所示網(wǎng)絡(luò)最大流?;∨缘臄?shù)是 解 :對(duì)圖7-20中各頂點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)號(hào)。首先給 標(biāo)(0,+),即 檢查 :在弧 上,因?yàn)?,又有,所以給 標(biāo) ;在弧上 ,因?yàn)?,又有,所以給 標(biāo) 。檢查 :在弧上 ,因?yàn)?,又有,所以給 標(biāo) ;在弧上 ,因?yàn)?,又有,所以給 標(biāo) ;在弧 上,因?yàn)?,又有,所以給V3標(biāo) 。因?yàn)榍懊嬉呀ov3標(biāo)過號(hào) ,這里又給 標(biāo) ,它們分別表示兩條不同的路線,這里不存在修改標(biāo)號(hào)的問題(與最短路不同)。因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是盡快找出一條從vs到vt的增廣鏈,即盡快使終點(diǎn)vt獲得標(biāo)號(hào),所以不必在中途過多停留。也就是說在對(duì)已標(biāo)號(hào)點(diǎn)vi進(jìn)行檢查時(shí),每次只檢查一個(gè)相鄰點(diǎn)vj(不論前向弧或后向弧均可),再給標(biāo)號(hào)即可,而不必檢查所有與vi相鄰的點(diǎn)。事實(shí)上,其余的相鄰點(diǎn)也不會(huì)漏掉,因?yàn)橐院筮€要通過檢查這些點(diǎn)來找出新的增廣鏈。以下我們就按這種思路進(jìn)行。檢查: 在弧 上,因?yàn)?,又有.所以給 標(biāo) .至此,終點(diǎn) 已獲得標(biāo)號(hào),于是找出一條 從到 的增廣鏈。再由標(biāo)號(hào)的第一部分用反向追蹤法找出路線,即 (見圖7-21)。進(jìn)行調(diào)查:這時(shí)的調(diào)整量 .再按公式(7.20)調(diào)整。由于 上各弧均為前向弧,故得 , , .(見圖7-21).其余的 不變.對(duì)這個(gè)新的可行流再進(jìn)入標(biāo)號(hào)過程,尋找新增廣鏈。開始給 標(biāo) ,檢查 ,給 標(biāo) ,檢查 :在弧 上,因?yàn)?(見圖7-21),故該弧已飽和,標(biāo)號(hào)無法進(jìn)行下去。在弧 上,因?yàn)?,又有所以給 標(biāo) ,檢查 : <!endif>在弧 上,因?yàn)?,又有 所以給 標(biāo) ,檢查 :在弧 上,因?yàn)?,又有,所以給 標(biāo) .于是又得到一條增廣鏈 (見圖7-22) 進(jìn)行調(diào)整: 這時(shí) 。調(diào)整結(jié)果如圖9.28所示。再重新標(biāo)號(hào)求新的增廣鏈. 開始給 標(biāo) ,檢查 ,給 標(biāo) 。檢查 ,給 標(biāo) ,檢查 ,給 標(biāo) ,檢查 ,因 已是飽和?。ㄒ妶D7-22)。標(biāo)號(hào)無法進(jìn)行。但在弧 上, .又有,所以給 標(biāo) .于是又得到一條增廣鏈:.再進(jìn)行調(diào)整(見圖7-23). 再重新進(jìn)行標(biāo)號(hào)求新的增廣鏈: 開始給 標(biāo)(0,+ ),檢查 ,給 標(biāo) .檢查 :這時(shí)弧 均已飽和。而在弧 上,因 ,又有所以給 標(biāo) ,表明弧 為后向弧.檢查 ,給 標(biāo) 。檢查 ,給 標(biāo) 。于是又得到一條增廣鏈: .再進(jìn)行調(diào)整(見圖7-24)。 再重新進(jìn)行標(biāo)號(hào)求新的增廣鏈: 開始給 標(biāo)(0,+),檢查 ,給 標(biāo) 。檢查 ,這時(shí) 和 均為前向弧,都已飽和,弧 為后向弧,且為零流弧 。故標(biāo)號(hào)無法進(jìn)行。但在弧 上因?yàn)?。又有.所以給 標(biāo) .檢查 ,給 標(biāo) 。檢查 ,因?yàn)?已飽和(見圖7-24)。而在弧 上,因?yàn)?,又有 .所以給 標(biāo) ,再檢查 ,給 標(biāo) 。于是又得到一條增廣鏈: .再進(jìn)行調(diào)整(見圖7-25)。再重新進(jìn)行標(biāo)號(hào)求新的增廣鏈。 開始給 標(biāo)(0,+),檢查 ,給 標(biāo) 。檢查 ,因?yàn)?已飽和,而為弧 上標(biāo)號(hào)還可以繼續(xù)進(jìn)行,給 <!endif> 標(biāo) 。檢查 。給 標(biāo) 。于是又得到一條增廣鏈 再進(jìn)行調(diào)整(見圖7-26)。 再重新進(jìn)行標(biāo)號(hào): 開始給 標(biāo)(0,+),檢查 :這時(shí)弧 已飽和。標(biāo)號(hào)無法進(jìn)行。而 還可以標(biāo)號(hào) 。再檢查 ,如前所述,標(biāo)號(hào)也無法進(jìn)行。至此已求得最大流。我們將最大流 表示在圖7-27中。最大流量為 與此同時(shí),可找到最小截集 ,其中 為最后一輪已標(biāo)號(hào)點(diǎn)的集合, 為未標(biāo)號(hào)點(diǎn)的集合,即最小截量為 所以 。圖7-27由上述可見,用標(biāo)號(hào)法找增廣鏈以求最大流的結(jié)果,同時(shí)也得到一個(gè)最小截集。最小截集的容量的大小影響總的運(yùn)輸量的提高。因此,為提高總的運(yùn)輸量,必須首先考慮增大最小截集中各弧的容量,提高它們的通過能力。反之,一旦最小截集中弧的通過能力降低,必然會(huì)使得運(yùn)輸量減少。 前面討論都是對(duì)一個(gè)發(fā)點(diǎn)、一個(gè)收點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)最大流問題。對(duì)于多個(gè)發(fā)點(diǎn)和收點(diǎn)的情形,我們可以采取虛設(shè)一個(gè)總發(fā)點(diǎn) 和總收點(diǎn) ,從總發(fā)點(diǎn) 到各發(fā)點(diǎn) 均以弧相聯(lián),并且令這些弧的容量均為或某一具體值(根據(jù)情況而定)。同樣,從各個(gè)收點(diǎn) 到總收點(diǎn) 亦以弧相聯(lián),也令這些弧的容量為或某一具體值。這樣,原來的發(fā)點(diǎn) 與收點(diǎn) 都變成了轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn),原來的問題就轉(zhuǎn)變成一個(gè)發(fā)點(diǎn)一個(gè)收點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)圖。例如圖7-28所示是兩個(gè)發(fā)點(diǎn)兩個(gè)收點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)發(fā)點(diǎn)一個(gè)收點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),見圖7-29所示。 圖7-29

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