线性规划(2):LP对偶的应用

Last updated on April 28, 2026 pm

本文为SJTU-AI2615算法课程的知识点复习,主要复习内容为LP对偶的应用,包括最大流最小割定理的证明。

最大流最小割定理

原问题与对偶问题

  • 原问题:

maximize∑u:(s,u)∈Efsusubject to0≤fuv≤cuv∀(u,v)∈E∑v:(v,u)∈Efvu=∑w:(u,w)∈Efuw∀u∈V∖{s,t}\begin{align*} \text{maximize} &\quad \sum_{u:(s, u) \in E} f_{su} \\ \text{subject to} &\quad 0 \le f_{uv} \le c_{uv} &&\quad \forall (u, v) \in E \\ &\quad \sum_{v:(v, u) \in E} f_{vu} = \sum_{w:(u, w) \in E} f_{uw} &&\quad \forall u \in V \setminus \{s, t\} \end{align*}

  • 对偶问题:

minimize∑(u,v)∈Ecuvyuvsubject toysu+zu≥1∀u:(s,u)∈Eyvt−zv≥0∀v:(v,t)∈Eyuv−zu+zv≥0∀(u,v)∈E,u≠s,v≠tyuv≥0∀(u,v)∈E\begin{align*} \text{minimize} &\quad \sum_{(u, v) \in E} c_{uv} y_{uv} \\ \text{subject to} &\quad y_{su} + z_u \ge 1 &&\quad \forall u: (s, u) \in E \\ &\quad y_{vt} - z_v \ge 0 &&\quad \forall v:(v, t) \in E \\ &\quad y_{uv} - z_u + z_v \ge 0 &&\quad \forall (u, v) \in E, u \neq s, v \neq t \\ &\quad y_{uv} \ge 0 &&\quad \forall (u, v) \in E \end{align*}

  • 对偶问题的理解:
    • yuv=1y_{uv} = 1 表示边 (u,v)(u, v) 是割边,yuv=0y_{uv} = 0 表示不是
    • zu=1z_u = 1 表示 uu 在 ss 一边,zu=0z_u = 0 表示 uu 在 tt 一边
    • 该对偶问题是分数形式的最小割问题

证明对偶问题有整数最优解

  • 核心思路:证明多面体 P={x:Ax≤b}P = \{\bm{x}: A\bm{x} \le \bm{b}\} 的所有顶点均为整数点
  • 定理:如果 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n} 是全单模(totally unimodular)矩阵,b\bm{b} 是整数向量,那么多面体 P={x:Ax≤b}P = \{\bm{x}: A\bm{x} \le \bm{b}\} 的顶点均为整数
    • 如果矩阵 AA 的任何子方阵的行列式都等于00,11 或 −1-1,那么 AA 是全单模矩阵
    • 性质:如果 AA 是全单模矩阵,那么 AT,[IA],[AI],[IA],[AI]A^T, \begin{bmatrix}I & A\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}A & I\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}I \\ A\end{bmatrix}, \begin{bmatrix}A \\ I\end{bmatrix} 都是全单模矩阵
  • 归纳法证明:

归纳法证明 Z 是全单模矩阵

注:本文中所有图片均来自张宇昊老师的课程PPT。


线性规划(2):LP对偶的应用
https://cny123222.github.io/2025/05/13/线性规划-2-:LP对偶的应用/
Author
Nuoyan Chen
Posted on
May 13, 2025
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