U4_1:图论之DFS/BFS/TS/Scc

文章目录

一、图的基本概念

由点(vertices)和边(edges)组成
G = ( V , E ) G=(V,E) G=(V,E), ∣ V ∣ = n |V|=n ∣V∣=n, ∣ E ∣ = m |E|=m ∣E∣=m (这里默认有向图,无向图用 G G G = = ={ V V V, E E E}表示

顶点的度是关联在其上的边的数量。满足 ∑ d e g r e e ( v ) = 2 ∣ E ∣ \sum degree(v)=2|E| ∑degree(v)=2∣E∣(握手定理)

路径:一个序列 < V 0 , V 1 , . . . , V k > <V_0,V_1,...,V_k> <V0,V1,...,Vk>且 i = 1 , 2 , . . . , k i=1,2,...,k i=1,2,...,k满足 ( V i − 1 , V i ) (V_{i-1},V_i) (Vi−1,Vi),序列中任意两点之间都是可达的。

简单路径:序列中所有顶点都是不同的。

环:一个路径 < V 0 , V 1 , . . . , V k > <V_0,V_1,...,V_k> <V0,V1,...,Vk>并且 V 0 = V k V_0=V_k V0=Vk并且路径上所有边都是不同的

简单环: V 1 , V 2 , . . . , V k V_1,V_2,...,V_k V1,V2,...,Vk是不同的。

连通:两个点之间存在路径。每个顶点对之间都连通,则这个图是连通的

连通分量:两点之间连通的最大集合的个数(等价类)。如下图:

子图: G ′ G' G′的点和边都属于 G G G

诱导子图: G ′ G' G′的点属于 G G G,且连接点的所有边都要属于 G ′ G' G′

邻接表Adj:用链表连接每个点的边。因此是遍历了每个点和每条边,因此时间复杂度 T ( n ) = O ( V + E ) T(n)=O(V+E) T(n)=O(V+E)

邻接矩阵: A = [ a i j ] , a i j = 1 A=[a_{ij}],a_{ij}=1 A=[aij],aij=1 i f ( v i , v j ) 属于 E if(v_i,v_j)属于E if(vi,vj)属于E,否则 a i j = 0 a_{ij}=0 aij=0

因为不管怎样任意两点间有无边都要判断一遍,因此时间复杂度 T ( n ) = O ( V 2 ) T(n)=O(V^2) T(n)=O(V2)

二、广度优先搜索(BFS)

用处:遍历图中的所有顶点,从而显示图的属性

记录

三个数组用于保存遍历期间收集的信息。

  1. c o l o r [ u ] color[u] color[u]:访问的每个顶点的颜色
    W H I T E WHITE WHITE:未发现
    G R A Y GRAY GRAY:已发现但未完成处理
    B L A C K BLACK BLACK:已完成处理
  2. p r e d [ u ] pred[u] pred[u]:前一个指针:指向发现u的顶点
  3. d [ u ] d[u] d[u]:从源到顶点u的距离

伪代码

BFS(G)
for u in V do
	color[u] ← WHITE;
	pred[u] ← NULL;
end
for u in V do
	if color[u] is equal to WHITE then
		BFSVisit(u);
	end
end

BFSVisit(s)
color[s] ← GRAY,d[s] ← 0;
set Q a queue
Enqueue(Q,s)
while Q is not empty do
	u ← Dequeue(Q)
	for v is belong to Adj[u] do   (邻接表遍历的)
		if(color[v] = WHITE) then
			color[u] ← GRAY
			d[v] ← d[u]+1
			pred[v] ← u
			Enqueue(Q,v)
		end
	end
	color[u] ← BLACK
end

时间复杂度

每一次循环遍历,都是遍历一个点和其边,且边遍历过了其他边就不会再遍历,因此
T ( n ) = ∑ O ( 1 + d e g r e e ( u ) ) = O ( V + E ) T(n)=\sum O(1+degree(u))=O(V+E) T(n)=∑O(1+degree(u))=O(V+E)

流程

一次BFSVisit,能将连通分量遍历完

应用

  1. 最短路径问题
  2. 查找连通分量

三、深度优先搜索(DFS)

用处:同样也是遍历图中的所有顶点,从而显示图的属性

记录

四个数组用于保存遍历期间收集的信息。

  1. c o l o r [ u ] color[u] color[u]:访问的每个顶点的颜色
    W H I T E WHITE WHITE:未发现
    G R A Y GRAY GRAY:已发现但未完成处理
    B L A C K BLACK BLACK:已完成处理
  2. p r e d [ u ] pred[u] pred[u]:前一个指针:指向发现u的顶点
  3. d [ u ] d[u] d[u]:发现时间。(设置一个全局变量时间发生器)
  4. f [ u ] f[u] f[u]:结束时间。一个计数器,指示顶点u(及其所有后代)的处理何时完成

伪代码

DFS(G)
for u in V do
	color[u] ← WHITE;
	pred[u] ← NULL;
end
 time  ← 0
for u in V do
	if color[u] is equal to WHITE then
		DFSVisit(u);
	end
end

DFSVisit(u)
color[u] ← GRAY,d[u] ← ++time;
set Q a queue
Enqueue(Q,s)
for v is belong to Adj[u] do   (邻接表遍历的)
	if(color[v] = WHITE) then
		pred[v] ← u
		DFSVisit(v)
	end
end
color[u] ← BLACK
f[u] ← ++time;

时间复杂度

同样,每一次循环遍历,都是遍历一个点和其边,且边遍历过了其他边就不会再遍历,因此
T ( n ) = ∑ O ( 1 + d e g r e e ( u ) ) = O ( V + E ) T(n)=\sum O(1+degree(u))=O(V+E) T(n)=∑O(1+degree(u))=O(V+E)

流程

时间戳结构

由图可知, u u u是 v v v的后代(在 D F S DFS DFS树中),当且仅当 [ d [ u ] , f [ u ] ] [d[u],f [u]] [d[u],f[u]]是 [ d [ v ] , f [ v ] ] [d[v],f [v]] [d[v],f[v]]的子区间

树边: i f ( u , v ) ∈ E f if (u, v)∈E_f if(u,v)∈Ef等价 u = p r e d [ v ] u = pred[v] u=pred[v],即 u u u是 D F S DFS DFS树中 v v v的前身(图中蓝色边)

后边缘:如果 v v v是 D F S DFS DFS树中 u u u的祖先(不包括前身)(图中红色边)

有边就有祖先和后代的关系

BFS和DFS比较

BFS是发现点之后先处理,DFS是发现点之后不处理,继续往下去找其他的点。

四、拓扑排序

一些概念

有向图

有向图,区分边(u, v)和边(v, u)

顶点的出界度是离开它的边的数量,顶点的入界度是进入它的边的数量

每条边(u, v)对u的出阶贡献1次,对v的入阶贡献1次
∑ o u t − d e g r e e ( v ) = ∑ i n − d e g r e e ( v ) = ∣ E ∣ \sum out-degree(v)=\sum in-degree(v)=|E| ∑out−degree(v)=∑in−degree(v)=∣E∣

作用

有向图通常用于表示顺序相关的任务,也就是说,我们不能在另一个任务完成之前启动一个任务。

边(u, v)表示任务u完成后才能启动任务v。

显然,要使系统不挂起,图必须是无环的,它必须是有向无环图(或DAG)

拓扑排序

拓扑排序是一种针对有向无环图的算法,对顶点进行线性排序,使得对于DAG中的每条边(u, v), u在线性排序中出现在v之前。

它可能不是唯一的,因为有许多"不兼容"的元素。

分析

  1. 起始顶点入度必须为0,如果这样的顶点不存在,图就不是无环的。
  2. 一个入度为0的顶点是一个可以马上开始的任务。所以我们可以先以线性顺序输出它.
  3. 如果输出一个顶点u,那么所有的边(u, v)都不再有用,因为任务v不再需要等待u。
  4. 去掉顶点u后,新图仍然是一个有向无环图
  5. 重复步骤2-4,直到没有顶点留下

伪代码

Initialize Q to be an empty queue
for u is belong to V do then
	if u.in_degree is equal to 0 then
		Enqueue(Q,u)
	end
end
while Q is not empty do
	u ← Dequeue(Q)
	Output u;
	for v is belong to Adj(u) do
		v.in_degree ← v.in_degree-1
		if v,in_degree is equal to 0 then
			Enqueue(Q,v)
		end
	end
end

时间复杂度

依旧是每条边和每个顶点都遍历一遍,因此时间复杂度 T ( n ) = O ( V + E ) T(n)=O(V+E) T(n)=O(V+E)

彩蛋

也可用DFS求出拓扑序列,对于每个有向边,都有 f [ u ] > f [ v ] f[u]>f[v] f[u]>f[v]

在时间O(V+E)内计算出 D A G DAG DAG(有向无环图)中的单源最短路径:动态规划

五、强连通分量-SCC

任意两点之间都有路径,再增加一个点都不满足这个关系。

任何两个强连通分量交集都为空

找到一个算法,求一个图得所有连通分量

分析

  1. 对G中所有边的方向进行反转,得到逆图GR。
  2. 执行DFS,并获得GR中顶点变黑的序列,即每当一个顶点从堆栈中弹出时,将其附加到序列 L R L^R LR中,将 L R L^R LR倒序得到序列L
  3. 对原图G执行DFS,规则如下
    规则1:从L的第一个顶点开始DFS
    规则2:当需要重新开始时,从L的第一个仍然是白色的顶点开始
    将每个dfs树中的顶点输出为SCC

伪代码

R ← {}
Reverse G and get G'
DFS G' and get L'
reverse L' and get L
for u属于L do
	if color[u] is WHITE then
		Lscc ← DFSVisit(G,u)
		R ← RUSet(Lscc)
	end
end

时间复杂度

翻转边需要遍历每个点和边,时间复杂度为 O ( V + E ) O(V+E) O(V+E),DFS时间复杂度为 O ( V + E ) O(V+E) O(V+E),,然后还是依次遍历每个点和边,时间复杂度也是 O ( V + E ) O(V+E) O(V+E),因此总时间复杂度为 T ( n ) = O ( V + E ) T(n)=O(V+E) T(n)=O(V+E)

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