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Erschienen in: Journal of Automated Reasoning 4/2022

15.01.2022

A Mechanized Proof of the Max-Flow Min-Cut Theorem for Countable Networks with Applications to Probability Theory

verfasst von: Andreas Lochbihler

Erschienen in: Journal of Automated Reasoning | Ausgabe 4/2022

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Abstract

Aharoni et al. (J Combinat Theory, Ser B 101:1–17, 2010) proved the max-flow min-cut theorem for countable networks, namely that in every countable network with finite edge capacities, there exists a flow and a cut such that the flow saturates all outgoing edges of the cut and is zero on all incoming edges. In this paper, we formalize their proof in Isabelle/HOL and thereby identify and fix several problems with their proof. We also provide a simpler proof for networks where the total outgoing capacity of all vertices other than the source and the sink is finite. This proof is based on the max-flow min-cut theorem for finite networks. As a use case, we formalize a characterization theorem for relation lifting on discrete probability distributions and two of its applications.

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Fußnoten
1
The record package achieves extensibility with structural subtyping by internally generalizing \(\alpha \ \textsf {graph}\) to \((\alpha , \beta )\ \textsf {graph-scheme}\), where \(\beta \) is the extension slot for further fields. For example, \(\beta \) is instantiated with the singleton type \(\textsf {unit}\) for \(\textsf {graph}\). All operations on \(\textsf {graph}\) are actually defined on \(\textsf {graph-scheme}\) so that they also work for all record extensions. We omit this technicality from the presentation.
 
2
Sack and Zhang set \(e_{i,j} = \infty \) if \(x_i \mathrel {R} y_j\), but the max-flow min-cut theorem handles only finite edge capacities. Their argument works unchanged for any value greater than 1, such as our choice of 2.
 
3
Sack and Zhang’s proof is formalized in the theory Rel_PMF_Characterisation in the accompanying AFP entry [25] version for Isabelle2016-1. The modified proof can be found in the theory Rel_PMF_Characterisation_MFMC in the version for Isabelle2021-1 of the same AFP entry.
 
Literatur
9.
Zurück zum Zitat Barthe, G., Espitau, T., Hsu, J., Sato, T., Strub, P.Y.: *-liftings for differential privacy. In: Chatzigiannakis, I., Indyk, P., Kuhn, F., Muscholl A. (Eds.) ICALP 2017, LIPIcs, vol. 80, pp. 102:1–102:12. Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik (2017). doi: https://doi.org/10.4230/LIPIcs.ICALP.2017.102 Barthe, G., Espitau, T., Hsu, J., Sato, T., Strub, P.Y.: *-liftings for differential privacy. In: Chatzigiannakis, I., Indyk, P., Kuhn, F., Muscholl A. (Eds.) ICALP 2017, LIPIcs, vol. 80, pp. 102:1–102:12. Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik (2017). doi: https://​doi.​org/​10.​4230/​LIPIcs.​ICALP.​2017.​102
14.
Zurück zum Zitat Desharnais, J.: Labelled Markov Processes. Ph.D. Thesis, McGill University (1999) Desharnais, J.: Labelled Markov Processes. Ph.D. Thesis, McGill University (1999)
19.
Zurück zum Zitat Immler, F.: Generic construction of probability spaces for paths of stochastic processes in Isabelle/HOL. Master’s thesis, Fakultät für Informatik, Technische Universität München (2012) Immler, F.: Generic construction of probability spaces for paths of stochastic processes in Isabelle/HOL. Master’s thesis, Fakultät für Informatik, Technische Universität München (2012)
31.
Zurück zum Zitat Naraschewski, W., Wenzel, M.: Object-oriented verification based on record subtyping in higher-order logic. In: Grundy, J., Newey M. (Eds.) TPHOLs 1998, LNCS, vol. 1479, pp. 349–366. Springer (1998). doi: https://doi.org/10.1007/BFb0055146 Naraschewski, W., Wenzel, M.: Object-oriented verification based on record subtyping in higher-order logic. In: Grundy, J., Newey M. (Eds.) TPHOLs 1998, LNCS, vol. 1479, pp. 349–366. Springer (1998). doi: https://​doi.​org/​10.​1007/​BFb0055146
Metadaten
Titel
A Mechanized Proof of the Max-Flow Min-Cut Theorem for Countable Networks with Applications to Probability Theory
verfasst von
Andreas Lochbihler
Publikationsdatum
15.01.2022
Verlag
Springer Netherlands
Erschienen in
Journal of Automated Reasoning / Ausgabe 4/2022
Print ISSN: 0168-7433
Elektronische ISSN: 1573-0670
DOI
https://doi.org/10.1007/s10817-022-09616-4

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