差分约束系统

差分约束系统(System of Difference Constraints),是求解關於一組變數的特殊不等式組之方法。

如果一个系统由个变量和个约束条件组成,其中若每个约束条件形如 ,则称其为差分约束系统。亦即,差分约束系统是求解关于一组变量的特殊不等式组的方法。   

解法

求解差分約束系統,可以轉化成求解圖論的單源最短路徑。觀察 ,會發現它類似最短路中的三角不等式 ,即 。因此,以每個變數 為結點,對於約束條件 ,連接一條邊 ,邊權為 。再增加一個原點 與所有定點相連,邊權均為0(在某些题目中可能需要根据实际情况进行改动)。對這個圖以s為原點運行Bellman-Ford 算法(或SPFA),最終 即為一組可行解。
  例如,考虑这样一个问题,寻找一个5维向量 以满足:

这一问题等价于找出未知量   ,满足下列8个差分约束条件:
  
  
  
  
  
  
  
  
该问题的一个解为 ,另一个解 ,这2个解是有联系的: 中的每个元素比 中相应的元素大5。

引理:设 是差分约束系统 的一个解,d为任意常数,则 也是该系统 的一个解。


Bellman-Ford 算法伪代码:

# 初始化
for each v in V do 
    d[v] ← ∞; 
d[source] ← 0
# 松弛
for i =1,...,|V|-1 do
    for each edge (u,v) in E do
        d[v] ← min{d[v], d[u]+w(u,v)}
# 检查负环
for each edge (u, v) in E do 
    if d[v]> d[u] + w(u,v) then 
        <无解>

参考资料