Hashiryo's Library

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:heavy_check_mark: 二部グラフ (src/Graph/BipartiteGraph.hpp)

二部グラフの最小頂点被覆は Dulmage-Mendelsohn 分解 で実装．

BipartiteGraph クラス

Graph クラス　を継承．
左右の頂点の数をそれぞれ $L$, $R$ として

とする. (都合がいいため)

また辺の向きは常に左から右を向くようにする．（手動でする）

二部マッチングなどの関数の引数に使用する．ただの箱

メンバ関数 概要
left_size() 左側の頂点の数 $L$ を返す
right_size() 右側の頂点の数 $R$ を返す

関数

関数 概要 計算量
paint_two_colors(adj)
paint_two_colors(g) 		グラフを2色で塗り分ける．
引数は頂点 → 頂点の隣接リスト(CSRArray<int>クラス) もしくは Graphクラス で無向グラフを渡す.
戻り値は頂点サイズの vector<int> で各頂点の色の割り当てを表す.
二部グラフでない場合，空集合を返す．		 $O(V+E)$
graph_to_bipartite(g,color={}) Graph クラスを頂点を2色に塗り分けてラベルを付け直して BipartiteGraph クラスにする.
頂点のラベルを付け替えるだけのため，辺の順番は保たれている．
引数は Graph クラスと色の割り当てが記録された vector<int>．
第二引数は省略可能.
戻り値は3つの要素を tuple でラッピングしたものを返す.
一つ目は BipartiteGraph．
二つ目は元のグラフの頂点番号から新しい番号を返す vector<int>．
三つ目は新しいグラフの頂点番号から元のグラフの番号を返す vector<int>．
二部グラフでない場合，空集合らを返す．		 $O(V+E)$
bipartite_matching<lexical=false>(bg, partner={}) 二部グラフの最大マッチングを実行する.
引数は BipartiteGraph．
第二引数は推論補助(※)．
戻り値は2つの要素を pair でラッピングしたものを返す．
一つ目は最大マッチングに使われる辺の番号の集合を表す vector<int>．
二つ目は各頂点のマッチング相手が記録 (noマッチなら -1) されている vector<int> ．
またテンプレート引数が true の場合，左側の頂点を順に並べた場合のマッチング相手が辞書順最小になるようにする．		 1. $O(E\sqrt{V})$
2. テンプレート引数が true の場合
$O(EV)$

※ 各頂点の（最大マッチングとは限らない）マッチング相手が記録されている vector<int>　( 返り値の二つ目の形式と同じ ) を渡す. マッチングとして矛盾している場合の挙動は未定義．一度この関数を実行した後，（辺を一本追加あるいは削除などの）少しだけ変化させた場合の再計算を効率よくするためのもの．

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Code

#pragma once
#include <cassert>
#include <tuple>
#include <algorithm>
#include "src/Graph/Graph.hpp"
// [0, L) is left, [L, n) is right
struct BipartiteGraph: Graph {
 size_t L;
 BipartiteGraph() {}
 BipartiteGraph(size_t L, size_t R, size_t m= 0): Graph(L + R, m), L(L) {}
 size_t left_size() const { return L; }
 size_t right_size() const { return this->n - L; }
};
std::vector<int> paint_two_colors(const CSRArray<int> &adj) {
 const int n= adj.size();
 std::vector<int> col(n, -1);
 for (int s= n; s--;)
  if (col[s] == -1) {
   std::vector<int> q= {s};
   for (int i= col[s]= 0, v; i < (int)q.size(); ++i)
    for (int u: adj[v= q[i]])
     if (int c= col[v]; col[u] == c) return {};
     else if (col[u] == -1) col[u]= c ^ 1, q.push_back(u);
  }
 return col;
}
std::vector<int> paint_two_colors(const Graph &g) { return paint_two_colors(g.adjacency_vertex(0)); }
// { BipartiteGraph , original to new, new to original }
// {{},{},{}} if not bipartite
std::tuple<BipartiteGraph, std::vector<int>, std::vector<int>> graph_to_bipartite(const Graph &g, std::vector<int> color= {}) {
 if (color.empty()) color= paint_two_colors(g);
 if (color.empty()) return {};
 const int n= g.vertex_size(), m= g.edge_size();
 std::vector<int> a(n), b(n);
 int l= 0, r= n;
 for (int i= n; i--;) b[a[i]= color[i] ? --r : l++]= i;
 BipartiteGraph bg(l, n - l, m);
 for (int i= m; i--;) {
  auto [u, v]= g[i];
  bg[i]= std::minmax(a[u], a[v]);
 }
 return {bg, a, b};
}
namespace _bg_internal {
std::vector<int> _bm(int L, const CSRArray<int> &adj, std::vector<int> &m) {
 std::vector<int> a, p, q(L);
 for (bool u= true; u;) {
  u= false, a.assign(L, -1), p.assign(L, -1);
  int t= 0;
  for (int l= L; l--;)
   if (m[l] == -1) q[t++]= a[l]= p[l]= l;
  for (int i= 0; i < t; ++i)
   if (int l= q[i], x; m[a[l]] == -1)
    for (int r: adj[l]) {
     if (x= m[r]; x == -1) {
      for (u= true; r != -1; l= p[l]) m[r]= l, std::swap(m[l], r);
      break;
     }
     if (p[x] == -1) a[q[t++]= x]= a[p[x]= l];
    }
 }
 return a;
}
}
template <bool lexical= false> std::pair<std::vector<int>, std::vector<int>> bipartite_matching(const BipartiteGraph &bg, std::vector<int> partner= {}) {
 const int L= bg.left_size(), M= bg.edge_size();
 if (partner.empty()) partner.assign(bg.vertex_size(), -1);
 assert(partner.size() == bg.vertex_size());
 {
  CSRArray<int> adj{std::vector<int>(M), std::vector<int>(L + 1)};
  for (auto [l, r]: bg) ++adj.p[l];
  for (int i= 0; i < L; ++i) adj.p[i + 1]+= adj.p[i];
  for (auto [l, r]: bg) adj.dat[--adj.p[l]]= r;
  if constexpr (lexical) {
   for (int l= L; l--;) std::sort(adj[l].begin(), adj[l].end());
   _bg_internal::_bm(L, adj, partner);
   std::vector<char> a(L, 1);
   for (int l= 0; l < L; ++l)
    if (int r= partner[l], v= l; r != -1) {
     std::vector<int> p(L, partner[v]= partner[r]= -1), c(adj.p.begin(), adj.p.begin() + L);
     for (p[v]= -2;;) {
      if (c[v] == adj.p[v + 1]) v= p[v];
      else if (int u= partner[r= adj.dat[c[v]++]]; u == -1) {
       for (; r != -1; v= p[v]) partner[r]= v, std::swap(partner[v], r);
       break;
      } else if (a[u] && p[u] == -1) p[u]= v, v= u;
     }
     a[l]= 0;
    }
  } else _bg_internal::_bm(L, adj, partner);
 }
 std::vector<int> c;
 std::vector<char> p(L);
 for (int i= 0; i < M; ++i)
  if (auto [l, r]= bg[i]; partner[l] == r && !p[l]) c.push_back(i), p[l]= 1;
 return {c, partner};
}
#line 2 "src/Graph/BipartiteGraph.hpp"
#include <cassert>
#include <tuple>
#include <algorithm>
#line 2 "src/Internal/ListRange.hpp"
#include <vector>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <type_traits>
#define _LR(name, IT, CT) \
 template <class T> struct name { \
  using Iterator= typename std::vector<T>::IT; \
  Iterator bg, ed; \
  Iterator begin() const { return bg; } \
  Iterator end() const { return ed; } \
  size_t size() const { return std::distance(bg, ed); } \
  CT &operator[](int i) const { return bg[i]; } \
 }
_LR(ListRange, iterator, T);
_LR(ConstListRange, const_iterator, const T);
#undef _LR
template <class T> struct CSRArray {
 std::vector<T> dat;
 std::vector<int> p;
 size_t size() const { return p.size() - 1; }
 ListRange<T> operator[](int i) { return {dat.begin() + p[i], dat.begin() + p[i + 1]}; }
 ConstListRange<T> operator[](int i) const { return {dat.cbegin() + p[i], dat.cbegin() + p[i + 1]}; }
};
template <template <class> class F, class T> std::enable_if_t<std::disjunction_v<std::is_same<F<T>, ListRange<T>>, std::is_same<F<T>, ConstListRange<T>>, std::is_same<F<T>, CSRArray<T>>>, std::ostream &> operator<<(std::ostream &os, const F<T> &r) {
 os << '[';
 for (int _= 0, __= r.size(); _ < __; ++_) os << (_ ? ", " : "") << r[_];
 return os << ']';
}
#line 3 "src/Graph/Graph.hpp"
struct Edge: std::pair<int, int> {
 using std::pair<int, int>::pair;
 Edge &operator--() { return --first, --second, *this; }
 int to(int v) const { return first ^ second ^ v; }
 friend std::istream &operator>>(std::istream &is, Edge &e) { return is >> e.first >> e.second, is; }
};
struct Graph: std::vector<Edge> {
 size_t n;
 Graph(size_t n= 0, size_t m= 0): vector(m), n(n) {}
 size_t vertex_size() const { return n; }
 size_t edge_size() const { return size(); }
 size_t add_vertex() { return n++; }
 size_t add_edge(int s, int d) { return emplace_back(s, d), size() - 1; }
 size_t add_edge(Edge e) { return emplace_back(e), size() - 1; }
#define _ADJ_FOR(a, b) \
 for (auto [u, v]: *this) a; \
 for (size_t i= 0; i < n; ++i) p[i + 1]+= p[i]; \
 for (int i= size(); i--;) { \
  auto [u, v]= (*this)[i]; \
  b; \
 }
#define _ADJ(a, b) \
 vector<int> p(n + 1), c(size() << !dir); \
 if (!dir) { \
  _ADJ_FOR((++p[u], ++p[v]), (c[--p[u]]= a, c[--p[v]]= b)) \
 } else if (dir > 0) { \
  _ADJ_FOR(++p[u], c[--p[u]]= a) \
 } else { \
  _ADJ_FOR(++p[v], c[--p[v]]= b) \
 } \
 return {c, p}
 CSRArray<int> adjacency_vertex(int dir) const { _ADJ(v, u); }
 CSRArray<int> adjacency_edge(int dir) const { _ADJ(i, i); }
#undef _ADJ
#undef _ADJ_FOR
};
#line 6 "src/Graph/BipartiteGraph.hpp"
// [0, L) is left, [L, n) is right
struct BipartiteGraph: Graph {
 size_t L;
 BipartiteGraph() {}
 BipartiteGraph(size_t L, size_t R, size_t m= 0): Graph(L + R, m), L(L) {}
 size_t left_size() const { return L; }
 size_t right_size() const { return this->n - L; }
};
std::vector<int> paint_two_colors(const CSRArray<int> &adj) {
 const int n= adj.size();
 std::vector<int> col(n, -1);
 for (int s= n; s--;)
  if (col[s] == -1) {
   std::vector<int> q= {s};
   for (int i= col[s]= 0, v; i < (int)q.size(); ++i)
    for (int u: adj[v= q[i]])
     if (int c= col[v]; col[u] == c) return {};
     else if (col[u] == -1) col[u]= c ^ 1, q.push_back(u);
  }
 return col;
}
std::vector<int> paint_two_colors(const Graph &g) { return paint_two_colors(g.adjacency_vertex(0)); }
// { BipartiteGraph , original to new, new to original }
// {{},{},{}} if not bipartite
std::tuple<BipartiteGraph, std::vector<int>, std::vector<int>> graph_to_bipartite(const Graph &g, std::vector<int> color= {}) {
 if (color.empty()) color= paint_two_colors(g);
 if (color.empty()) return {};
 const int n= g.vertex_size(), m= g.edge_size();
 std::vector<int> a(n), b(n);
 int l= 0, r= n;
 for (int i= n; i--;) b[a[i]= color[i] ? --r : l++]= i;
 BipartiteGraph bg(l, n - l, m);
 for (int i= m; i--;) {
  auto [u, v]= g[i];
  bg[i]= std::minmax(a[u], a[v]);
 }
 return {bg, a, b};
}
namespace _bg_internal {
std::vector<int> _bm(int L, const CSRArray<int> &adj, std::vector<int> &m) {
 std::vector<int> a, p, q(L);
 for (bool u= true; u;) {
  u= false, a.assign(L, -1), p.assign(L, -1);
  int t= 0;
  for (int l= L; l--;)
   if (m[l] == -1) q[t++]= a[l]= p[l]= l;
  for (int i= 0; i < t; ++i)
   if (int l= q[i], x; m[a[l]] == -1)
    for (int r: adj[l]) {
     if (x= m[r]; x == -1) {
      for (u= true; r != -1; l= p[l]) m[r]= l, std::swap(m[l], r);
      break;
     }
     if (p[x] == -1) a[q[t++]= x]= a[p[x]= l];
    }
 }
 return a;
}
}
template <bool lexical= false> std::pair<std::vector<int>, std::vector<int>> bipartite_matching(const BipartiteGraph &bg, std::vector<int> partner= {}) {
 const int L= bg.left_size(), M= bg.edge_size();
 if (partner.empty()) partner.assign(bg.vertex_size(), -1);
 assert(partner.size() == bg.vertex_size());
 {
  CSRArray<int> adj{std::vector<int>(M), std::vector<int>(L + 1)};
  for (auto [l, r]: bg) ++adj.p[l];
  for (int i= 0; i < L; ++i) adj.p[i + 1]+= adj.p[i];
  for (auto [l, r]: bg) adj.dat[--adj.p[l]]= r;
  if constexpr (lexical) {
   for (int l= L; l--;) std::sort(adj[l].begin(), adj[l].end());
   _bg_internal::_bm(L, adj, partner);
   std::vector<char> a(L, 1);
   for (int l= 0; l < L; ++l)
    if (int r= partner[l], v= l; r != -1) {
     std::vector<int> p(L, partner[v]= partner[r]= -1), c(adj.p.begin(), adj.p.begin() + L);
     for (p[v]= -2;;) {
      if (c[v] == adj.p[v + 1]) v= p[v];
      else if (int u= partner[r= adj.dat[c[v]++]]; u == -1) {
       for (; r != -1; v= p[v]) partner[r]= v, std::swap(partner[v], r);
       break;
      } else if (a[u] && p[u] == -1) p[u]= v, v= u;
     }
     a[l]= 0;
    }
  } else _bg_internal::_bm(L, adj, partner);
 }
 std::vector<int> c;
 std::vector<char> p(L);
 for (int i= 0; i < M; ++i)
  if (auto [l, r]= bg[i]; partner[l] == r && !p[l]) c.push_back(i), p[l]= 1;
 return {c, partner};
}
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