Python面试宝典第32题：课程表

题目

你这个学期必须选修numCourses门课程，记为0到numCourses - 1。在选修某些课程之前，需要一些先修课程。先修课程按数组prerequisites给出，其中prerequisites[i] = [ai, bi]，表示如果要学习课程ai，则必须先学习课程bi。比如：先修课程对[0, 1]表示想要学习课程0，你需要先完成课程1。

请你判断是否可能完成所有课程的学习？如果可以，返回true。否则，返回false。

备注：prerequisites[i]中的所有课程对互不相同。

示例 1：

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输入：numCourses = 2, prerequisites = [[1,0]]
输出：true
解释：总共有2门课程。学习课程1之前，你需要完成课程0。
这是可能的。

示例 2：

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输入：numCourses = 2, prerequisites = [[1,0], [0,1]]
输出：false
解释：总共有2门课程。学习课程1之前，你需要先完成课程0；并且学习课程0之前，还应先完成课程1。
这是不可能的。

深度优先搜索算法

这个问题描述了一个典型的图论问题，涉及到课程之间的依赖关系。要判断是否有可能完成所有课程的学习，我们需要检查是否存在环。如果有环存在，则意味着某些课程之间形成了一个闭环依赖，从而无法完成所有课程的学习。

深度优先搜索算法（DFS）是解决本问题的一种有效方法，可用于检测图中是否存在环。其基本思想为：使用DFS来遍历图中的所有节点，在遍历过程中，我们需要标记正在访问的节点，以检测环的存在；如果在访问过程中遇到一个已经在访问路径上的节点，那么就找到了一个环。如果所有节点都能被访问且没有环，则表示可以完成所有课程的学习。使用深度优先搜索算法求解本题的主要步骤如下。

1、构建一个邻接表来表示图结构。

2、对于每个节点，执行DFS并跟踪正在访问的节点。

3、如果在访问过程中，遇到已经存在于当前路径上的节点，则存在环。

4、如果所有节点都被访问过且没有发现环，则返回true。否则，返回false。

根据上面的算法步骤，我们可以得出下面的示例代码。

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def course_schedule_by_dfs(numCourses, prerequisites):
    def dfs(course, visiting):
        if visiting[course]:
            return False
        if visited[course]:
            return True
        
        # 标记当前节点正在访问
        visiting[course] = True
        for next_course in graph[course]:
            if not dfs(next_course, visiting):
                return False
        # 结束访问
        visiting[course] = False
        # 标记当前节点已被访问
        visited[course] = True
        return True
    
    # 构建邻接表
    graph = [[] for _ in range(numCourses)]
    # 标记每个节点是否被访问过
    visited = [False] * numCourses
    # 标记每个节点是否正在访问
    visiting = [False] * numCourses
    
    # 填充邻接表
    for course, prereq in prerequisites:
        graph[prereq].append(course)
    
    # 对于每个节点执行DFS
    for course in range(numCourses):
        if not dfs(course, visiting):
            return False
    
    return True

numCourses = 2
prerequisites = [[1, 0]]
print(course_schedule_by_dfs(numCourses, prerequisites))

numCourses = 2
prerequisites = [[1, 0], [0, 1]]
print(course_schedule_by_dfs(numCourses, prerequisites))

拓扑排序法

拓扑排序法是针对有向无环图 (DAG) 的一种排序方法，它将图中的所有顶点按照某种顺序排列，使得对于每条有向边u → v，顶点u在顶点v之前出现。如果一个图可以进行拓扑排序，则说明该图没有环。如果在排序过程中发现某个顶点的入度永远不能变为 0，则说明存在环。使用拓扑排序法求解本题的主要步骤如下。

1、构建一个邻接表来表示图结构。

2、计算每个节点的入度，即有多少条边指向该节点。

3、将所有入度为0的节点加入队列。

4、从队列中取出节点，将其添加到结果列表中，并减少其相邻节点的入度。

5、将入度变为0的节点加入队列。

6、重复步骤4和5，直到队列为空。

7、如果所有节点都被处理，则不存在环。否则，存在环。

根据上面的算法步骤，我们可以得出下面的示例代码。

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from collections import deque

def course_schedule_by_topsort(numCourses, prerequisites):
    # 构建邻接表
    graph = [[] for _ in range(numCourses)]
    # 计算每个节点的入度
    indegrees = [0] * numCourses
    
    # 填充邻接表并计算入度
    for course, prereq in prerequisites:
        graph[prereq].append(course)
        indegrees[course] += 1
    
    # 创建队列，将所有入度为0的节点加入队列
    queue = deque([node for node in range(numCourses) if indegrees[node] == 0])
    # 存储已完成的课程
    completed_courses = []
    
    # 处理队列中的节点
    while queue:
        prereq = queue.popleft()
        completed_courses.append(prereq)
        for course in graph[prereq]:
            indegrees[course] -= 1
            if indegrees[course] == 0:
                queue.append(course)
    
    # 如果所有课程都被完成，则返回True
    return len(completed_courses) == numCourses

numCourses = 2
prerequisites = [[1, 0]]
print(course_schedule_by_topsort(numCourses, prerequisites))

numCourses = 2
prerequisites = [[1, 0], [0, 1]]
print(course_schedule_by_topsort(numCourses, prerequisites))

总结

使用深度优先搜索算法求解本题的时间复杂度为O(V + E)。其中，V是顶点的数量（课程总数），E是边的数量（先修课程对的数量），每个顶点和每条边都会被访问一次。最坏情况下，递归栈的深度可以达到 V，因此空间复杂度为O(V)。深度优先搜索算法的优点是实现相对简单，但对于大规模数据集，递归可能导致栈溢出。

拓扑排序法的时间复杂度也为O(V + E)，最坏情况下的空间复杂度为O(V + E)，因为其需要额外的空间来存储邻接表和队列。拓扑排序法的优点是实现较为直观，易于理解，但实现稍微复杂一些，需要额外的入度计数和队列操作。