/// <summary>
/// Wyznacza ścieżki o maksymalnej przepustowości
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <param name="s">Wierzchołek źródłowy</param>
/// <param name="d">Znalezione ścieżki (parametr wyjściowy)</param>
/// <returns><b>true</b></returns>
/// <remarks>
/// Metoda przydaje się w algorytmach wyznaczania maksymalnego przepływu, wagi krawędzi oznaczają tu przepustowość krawędzi.<br/>
/// Przepustowość ścieżki to najmniejsza z przepustowości krawędzi wchodzących w jej skład.<br/>
/// <br/>
/// Elementy tablicy <i>d</i> zawierają przepustowości ścieżek od źródła do wierzchołka określonego przez indeks elementu.<br/>
/// Jeśli ścieżka od źródła do danego wierzchołka nie istnieje, to przepustowość ma wartość <b>null</b>.
/// <br/>
/// Metoda zawsze zwraca <b>true</b> (można ją stosować do każdego grafu).
/// </remarks>
public static bool MaxFlowPathsLab05(this Graph g, int s, out PathsInfo[] d)
{
PathsInfo[] paths = new PathsInfo[g.VerticesCount];
Predicate <Edge> visitEdge = (Edge e) =>
{
int?last = paths[e.From].Dist;
if (last == null)
{
paths[e.To].Last = e;
paths[e.To].Dist = e.Weight;
return(true);
}
if (paths[e.To].Dist == null || paths[e.To].Dist.Value <= Math.Min(e.Weight, last.Value))
{
paths[e.To].Last = e;
paths[e.To].Dist = Math.Min(e.Weight, last.Value);
}
return(true);
};
g.GeneralSearchFrom <EdgesMaxPriorityQueue>(s, null, visitEdge);
d = paths;
return(true);
}
/// <summary>
/// Wyznacza silnie spójne składowe
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <param name="scc">Silnie spójne składowe (parametr wyjściowy)</param>
/// <returns>Liczba silnie spójnych składowych</returns>
/// <remarks>
/// scc[v] = numer silnie spójnej składowej do której należy wierzchołek v<br/>
/// (numerujemy od 0)<br/>
/// <br/>
/// Metoda uruchomiona dla grafu nieskierowanego zgłasza wyjątek <see cref="System.ArgumentException"/>.
/// <br/>
/// Graf wejściowy pozostaje niezmieniony.
/// </remarks>
public static int StronglyConnectedComponents(this Graph g, out int[] scc)
{
if (!g.Directed)
{
throw new System.ArgumentException("Graf jest nieskierowany");
}
// Algorytm Kosaraju
int[] initialOrder = new int[g.VerticesCount];
int currentOrderValue = 0;
g.GeneralSearchAll <EdgesStack>(null, v =>
{
initialOrder[currentOrderValue++] = v;
return(true);
}, null, out int cc);
int[] vertexInComponent = new int[g.VerticesCount];
Graph reversed = g.CustomReverse(); // można skorzystać z bibliotecznego g.Reverse, ale zapewne o to chodziło w zadaniu, żeby zrobić własne
bool[] visited = new bool[g.VerticesCount];
int leftToVisit = g.VerticesCount;
int currentComponent = 0;
while (leftToVisit > 0)
{
int startingVertex = 0;
for (int i = g.VerticesCount - 1; i >= 0; i--)
{
int v = initialOrder[i];
if (!visited[v])
{
startingVertex = v;
break;
}
}
reversed.GeneralSearchFrom <EdgesStack>(startingVertex, v =>
{
leftToVisit--;
vertexInComponent[v] = currentComponent;
return(true);
}, null, null, visited);
currentComponent++;
}
scc = vertexInComponent;
return(currentComponent);
}
/// <summary>Domknięcie grafu</summary>
/// <param name="g">Graf wejściowy</param>
/// <returns>Graf będący domknięciem grafu wejściowego</returns>
/// <remarks>
/// 1.5 pkt.
/// Domknięcie grafu to graf, w którym krawędzią połączone są wierzchołki,
/// pomiędzy którymi istnieje ścieżka w wyjściowym grafie (pętle wykluczamy).
/// Graf wejściowy pozostaje niezmieniony.
/// Utworzony graf ma taką samą reprezentację jak graf wejściowy.
/// Uwaga 1 : w przypadku stwierdzenia ze graf wejściowy jest grafem ważonym zgłosić wyjątek ArgumentException
/// </remarks>
public static Graph Closure(this Graph g)
{
int verticesCount = g.VerticesCount;
double edgeWeight = double.NaN;
Graph newGraph = g.IsolatedVerticesGraph();
for (int v = 0; v < verticesCount; v++)
{
bool[] shouldEdgeBeAdded = new bool[verticesCount];
for (int i = 0; i < verticesCount; i++)
{
shouldEdgeBeAdded[i] = false;
}
Predicate <Edge> updateEdgesToBeAdded = e =>
{
if (edgeWeight.IsNaN())
{
edgeWeight = e.Weight;
}
if (edgeWeight != e.Weight)
{
throw new ArgumentException("Graf jest grafem ważonym.");
}
// W nieskierowanych nie dodajemy krawędzi "do tyłu"
if (g.Directed || e.From < e.To)
{
shouldEdgeBeAdded[e.To] = true;
}
return(true);
};
g.GeneralSearchFrom <EdgesStack>(v, null, null, updateEdgesToBeAdded);
// Wykluczamy ewentualną pętlę
shouldEdgeBeAdded[v] = false;
for (int i = 0; i < verticesCount; i++)
{
if (shouldEdgeBeAdded[i])
{
newGraph.AddEdge(v, i);
}
}
}
return(newGraph);
}
/// <summary>
/// Przeszukuje cały graf
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <param name="preVisitVertex">Metoda wywoływana przy pierwszym wejściu do wierzchołka</param>
/// <param name="postVisitVertex">Metoda wywoływana przy ostatecznym opuszczaniu wierzchołka</param>
/// <param name="visitEdge">Metoda wywoływana dla odwiedzanych krawędzi</param>
/// <param name="cc">Liczba "spójnych składowych" grafu (parametr wyjściowy)</param>
/// <param name="nr">Tablica kolejności "wierzchołków startowych"</param>
/// <typeparam name="TEdgesContainer">Typ kolekcji przechowującej krawędzie</typeparam>
/// <returns>Informacja czy zbadano wszystkie krawędzie grafu</returns>
/// <exception cref="ArgumentException"></exception>
/// <remarks>
/// Metoda odwiedza wszystkie wierzchołki grafu wykorzystując metodę
/// <see cref="GeneralSearchFrom{TEdgesContainer}"/> (w razie potrzeby wywołuje ją wielokrotnie).<para/>
/// Jako wierzchołek startowy dla metody <see cref="GeneralSearchFrom{TEdgesContainer}"/>
/// wybierany jest pierwszy nieodwiedzony wierzchołek nr[i],
/// gdzie tablica nr przeglądana jest w kierunku rosnących indeksów.<para/>
/// Domyślna wartość parametru nr (null) oznacza, że tablica nr zostanie automatycznie
/// wypełniona wartościami nr[i]=i (kolejność domyślna).<para/>
/// Wartością parametru wyjściowego cc jest wykonana liczba wywołań metody
/// <see cref="GeneralSearchFrom{TEdgesContainer}"/> (dla grafów nieskierowanych jest to
/// liczba spójnych składowych grafu, dla grafów skierowanych oczywiście nie ma takiej zależności).<para/>
/// Wartość parametru cc jest inkrementowana przed każdym wywołaniem metody
/// <see cref="GeneralSearchFrom{TEdgesContainer}"/>.<para/>
/// Parametrem metod preVisitVertex i postVisitVertex jest numer odwiedzanego wierzchołka.<para/>
/// Metoda preVisitVertex jest wywoływana gdy przeszukiwanie grafu osiąga dany wierzchołek
/// (jest on już oznaczony jako odwiedzony, ale wychodzące z
/// niego krawędzie nie są jeszcze dodane do kolekcji.<para/>
/// Metoda postVisitVertex jest wywoływana gdy z kolekcji została usunięta
/// (i w pełni przetworzona) ostatnia krawędź wychodząca z danego wierzchołka.<para/>
/// Korzystanie z metody postVisitVertex jest dozwolone jedynie
/// gdy kontenerem przechowującym krawędzie jest <see cref="EdgesStack"/> czyli
/// dla przeszukiwania w głąb (DFS) z jawnym stosem
/// (w innych przypadkach metoda zgłasza wyjątek <see cref="ArgumentException"/>).<para/>
/// Metoda visitEdge jest wywoływana dla każdej krawędzi rozważanej
/// podczas przeszukiwania (nawet jeśli nie została wykorzystana),
/// krawędź ta jest parametrem metody visitEdge.<para/>
/// Wyniki zwracane przez metody preVisitVertex, postVisitVertex
/// i visitEdge oznaczają żądanie kontynuowania (true) lub przerwania (false) obliczeń.<para/>
/// Parametry preVisitVertex, postVisitVertex i visitEdge mogą mieć wartość null,
/// co oznacza metodę pustą (nie wykonującą żadnych działań, zwracającą true).<para/>
/// Jeśli zostały zbadane wszystkie krawędzie grafu metoda zwraca true,
/// jeśli obliczenia zostały przerwane przez metodę związaną z parametrem preVisitVertex,
/// postVisitVertex lub visitEdge metoda zwraca false.
/// </remarks>
/// <seealso cref="GeneralSearchGraphExtender"/>
/// <seealso cref="ASD.Graphs"/>
public static bool GeneralSearchAll <TEdgesContainer>(this Graph g, Predicate <int> preVisitVertex, Predicate <int> postVisitVertex, Predicate <Edge> visitEdge, out int cc, int[] nr = null) where TEdgesContainer : IEdgesContainer, new()
{
if (nr != null)
{
if (nr.Length != g.VerticesCount)
{
throw new ArgumentException("Invalid order table");
}
var used = new bool[g.VerticesCount];
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
if (nr[i] < 0 || nr[i] >= g.VerticesCount || used[nr[i]])
{
throw new ArgumentException("Invalid order table");
}
used[nr[i]] = true;
}
}
else
{
nr = new int[g.VerticesCount];
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
nr[i] = i;
}
}
var visitedVertices = new bool[g.VerticesCount];
cc = 0;
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
if (visitedVertices[nr[i]])
{
continue;
}
cc++;
if (!g.GeneralSearchFrom <TEdgesContainer>(nr[i], preVisitVertex, postVisitVertex, visitEdge, visitedVertices))
{
return(false);
}
}
return(true);
}
/// <summary>Badanie czy graf jest dwudzielny</summary>
/// <param name="g">Graf wejściowy</param>
/// <returns>Informacja czy graf wejściowy jest dwudzielny</returns>
/// <remarks>
/// 1.5 pkt.
/// Graf wejściowy pozostaje niezmieniony.
/// </remarks>
public static bool IsBipartite(this Graph g)
{
int verticesCount = g.VerticesCount;
for (int v = 0; v < verticesCount; v++)
{
int[] distanceFromV = new int[verticesCount];
for (int i = 0; i < verticesCount; i++)
{
distanceFromV[i] = -1;
}
distanceFromV[v] = 0;
Predicate <Edge> updateDistanceFromV = e =>
{
if (distanceFromV[e.To] > -1)
{
// Cykle muszą być długości parzystej w grafie dwudzielnym
if ((distanceFromV[e.To] + distanceFromV[e.From] + 1) % 2 != 0)
{
return(false);
}
}
distanceFromV[e.To] = distanceFromV[e.From] + 1;
return(true);
};
if (!g.GeneralSearchFrom <EdgesQueue>(v, null, null, updateDistanceFromV))
{
return(false);
}
}
return(true);
}
/// <summary>
/// Wyznacza ścieżkę powiekszającą o maksymalnej przepustowości spośród najkrótszych ścieżek
/// </summary>
/// <param name="g">Graf rezydualny</param>
/// <param name="s">Wierzchołek źródłowy</param>
/// <param name="t">Wierzchołek docelowy</param>
/// <returns>
/// Krotka (augmentingValue, augmentingFlow) składająca się z przepustowości wyznaczonej ścieżki
/// i grafu opisującego tą ścieżkę
/// </returns>
/// <remarks>
/// Jeśli ścieżka powiększająca nie istnieje, to zwracana jest krotka (0.0,null).<para/>
/// Jeśli graf g jest typu <see cref="AdjacencyMatrixGraph"/> to wyznaczona ścieżka powiększająca p jest typu
/// <see cref="AdjacencyListsGraph{HashTableAdjacencyList}"/>,
/// w przeciwnym przypadku ścieżka p jest takiego samego typu jak graf g.
/// </remarks>
/// <seealso cref="MaxFlowGraphExtender"/>
/// <seealso cref="ASD.Graphs"/>
public static (double augmentingValue, Graph augmentingFlow) BFMaxPath(this Graph g, int s, int t)
{
var pi = new PathsInfo[g.VerticesCount];
var steps = new int[g.VerticesCount];
steps[s] = 1;
pi[s].Dist = double.PositiveInfinity;
bool VisitEdge(Edge e)
{
if (steps[e.From] == steps[t])
{
return(false);
}
if (steps[e.To] == 0)
{
steps[e.To] = steps[e.From] + 1;
}
else if (steps[e.To] != steps[e.From] + 1)
{
return(true);
}
var d = Math.Min(pi[e.From].Dist, e.Weight);
if (!(pi[e.To].Dist < d))
{
return(true);
}
pi[e.To].Dist = d;
pi[e.To].Last = e;
return(true);
}
g.GeneralSearchFrom <EdgesQueue>(s, null, null, VisitEdge);
return(pi[t].Dist, g.BuildGraph(s, t, pi));
}
