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5.2 Tagli

Definizione 5.2: \(s\)–\(t\) taglio

Lascia che \(S \subseteq N\) con \(s \in S\) e \(t \notin S\). Il taglio \(s\)–\(t\) \((S,N \setminus S)\) è il partizione dei nodi in \(S\) e \(N \setminus S\).

  • I suoi archi in avanti sono gli archi di \(\delta^+(S)\), da \(S\) a \(N \setminus S\), e i suoi all'indietro archi gli archi di \(\delta^-(S)\), da \(N \setminus S\) a \(S\).

  • La sua capacità è la capacità totale degli archi anteriori:

    \[ u(S,N \setminus S)=\sum_{(i,j) \in \delta^+(S)} u_{ij} . \]
  • Un taglio minimo è un taglio \(s\)–\(t\) di capacità minima.

  • Le capacità degli archi indietro non entrano in \(u(S,N \setminus S)\).

  • Ogni nodo diverso da \(s\) e \(t\) può trovarsi su entrambi i lati, quindi una rete ha tagli \(2^{n-2}\) \(s\)–\(t\).

  • Come nel Capitolo 4, \(x(F)=\sum_{(i,j) \in F} x_{ij}\) per un insieme di archi \(F\).

Lemma 5.3: flusso attraverso un \(s\)–\(t\) taglio

Sia \(\vet{x}\) un flusso ammissibile di valore \(v\). Quindi, per ogni \(s\)–\(t\) tagliato \((S,N \setminus S)\),

\[ v=x(\delta^+(S))-x(\delta^-(S)). \]

In particolare, con \(S=N \setminus \{t\}\), la raccolta netta di \(t\) è \(v\).

Dimostrazione

Sia \(b_i\) il deflusso netto del nodo \(i\) sotto \(\vet{x}\): \(b_s=v\) e \(b_i=0\) per \(i \notin \{s,t\}\). Poi \(\vet{x}\) soddisfa la conservazione del flusso con questi equilibri e Capitolo 4, Lemma «flusso attraverso un taglio» dà \(x(\delta^+(S))-x(\delta^-(S))=\sum_{i \in S} b_i\) per ogni \(S \subseteq N\).

  1. Con \(S=N\) nessun arco esce o entra in \(S\), quindi \(\sum_{i \in N} b_i=0\) e \(b_t=-v\).

  2. Per un taglio \(s\)–\(t\), \(s \in S\) e \(t \notin S\), quindi \(\sum_{i \in S} b_i=b_s=v\). □

Corollario 5.4: dualità debole

Per ogni portata ammissibile \(\vet{x}\) di valore \(v\) ed ogni \(s\)–\(t\) taglio \((S,N \setminus S)\),

\[ v \le u(S,N \setminus S), \]

con uguaglianza se e solo se \(x_{ij}=u_{ij}\) per ogni \((i,j) \in \delta^+(S)\) e \(x_{ij}=0\) per ogni \((i,j) \in \delta^-(S)\). In case of equality, \(\vet{x}\) is a maximum flow and \((S,N \setminus S)\) è un taglio minimo.

Dimostrazione

Da Lemma 5.3 e i limiti \(x_{ij} \le u_{ij}\) su \(\delta^+(S)\) e \(x_{ij} \ge 0\) su \(\delta^-(S)\),

\[ v=x(\delta^+(S))-x(\delta^-(S)) \le u(S,N \setminus S)-0 . \]
  • L'uguaglianza vale se e solo se ogni limite utilizzato è stretto, arco per arco.

  • In caso di uguaglianza, ogni flusso ammissibile \(\vet{x}'\) ha valore \(v' \le u(S,N \setminus S)=v\), e ogni \(s\)–\(t\) tagliare \((S',N \setminus S')\) ha \(u(S',N \setminus S') \ge v=u(S,N \setminus S)\).

□

Esempio 5.2: i tagli della rete di riferimento

La rete di riferimento di Esempio 5.1 ha tagli \(2^4=16\) \(s\)–\(t\). Accanto a ciascun set \(S\), il capacità \(u(S,N \setminus S)\):

\[ \begin{array}{cc|cc|cc|cc} \hline {S} & {u} & {S} & {u} & {S} & {u} & {S} & {u} \\ \hline {\{1\}} & {9} & {\{1,2\}} & {7} & {\{1,3\}} & {11} & {\{1,4\}} & {15} \\ {\{1,5\}} & {14} & {\{1,2,3\}} & {7} & {\{1,2,4\}} & {10} & {\{1,2,5\}} & {12} \\ {\{1,3,4\}} & {15} & {\{1,3,5\}} & {12} & {\{1,4,5\}} & {18} & {\{1,2,3,4\}} & {8} \\ {\{1,2,3,5\}} & {8} & {\{1,2,4,5\}} & {13} & {\{1,3,4,5\}} & {14} & {\{1,2,3,4,5\}} & {7} \\ \hline \end{array} \]
  • La capacità minima è \(7\), ottenuta con tre tagli: \(S=\{1,2\}\), \(S=\{1,2,3\}\) e \(S=\{1,2,3,4,5\}\). Di Corollario 5.4, nessun flusso ammissibile ha un valore maggiore di \(7\).

  • Per \(S=\{1,2,3\}\) gli archi in avanti sono \((2,4)\), \((3,5)\) e l'arco all'indietro è \((4,3)\). Con il flusso \(\bar{\vet{x}}\) di Esempio 5.1,

    \[ \bar{x}_{24}+\bar{x}_{35}-\bar{x}_{43}=3+2-2=3=v, \qquad u(S,N \setminus S)=u_{24}+u_{35}=3+4=7 . \]

La capacità di un taglio

La capacità \(u(S,N \setminus S)\) somma le capacità solo degli archi anteriori. Per \(S=\{1,2,3\}\) sì \(u_{24}+u_{35}=7\); aggiungendo la capacità dell'arco all'indietro \((4,3)\) si otterrebbe \(9\), che non delimita nulla. Un flusso su a L'arco all'indietro riporta le unità in \(S\) e riduce il flusso netto attraverso il taglio.

Il flusso netto attraverso ogni taglio \(s\)–\(t\) è il valore \(v\), quindi \(v \le u(S,N \setminus S)\) per ogni flusso e ogni taglio, con uguaglianza quando gli archi anteriori sono saturi e gli archi posteriori vuoti. Sulla rete di riferimento non c'è flusso valore maggiore di \(7\).


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