[算法设计与分析-从入门到入土] 图遍历

算法设计与分析-从入门到入土 图遍历

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注:本文仅对所述内容做了框架性引导,具体细节可查询其余相关资料or源码

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文章目录

  • [算法设计与分析-从入门到入土 图遍历](#[算法设计与分析-从入门到入土] 图遍历)
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  • [图遍历Graph Traversal](#图遍历Graph Traversal)
  • [寻找图中的关节点Articulation Point](#寻找图中的关节点Articulation Point)

图遍历Graph Traversal

图遍历的核心目标是访问图中所有顶点,主要有两种经典方法:

  • 深度优先搜索(Depth-first Search, DFS)
  • 广度优先搜索(Breadth-first Search, BFS)
1.深度优先搜索DFS

设 G = ( V , E ) G=(V,E) G=(V,E) 为一个有向图或无向图

  1. 初始化:将图中所有顶点标记为「未访问」状态
  2. 选择起始顶点:任选一个顶点 v∈V,将其标记为「已访问」
  3. 深度探索:取与 v 相邻的未访问顶点 w,标记为「已访问」,并继续探索与 w 相邻的未访问顶点 x,重复此过程
  4. 回溯:当遇到顶点 y(其所有相邻顶点均已访问)时,回溯至上一个已访问顶点(如 x),若该顶点有未访问的相邻顶点,则继续探索
  5. 终止:最终回溯至起始顶点 v,遍历结束

DFS可通过递归方式实现

例子:

若 DFS 完成后所有顶点均可从起始顶点到达,会构建出「深度优先搜索生成树」(简称 DFS 生成树)

此时无向图 G 的边可划分为两类:

  • 树边(tree edge):属于 DFS 生成树的边
  • 回边(back edge):不属于生成树的其他边
2.广度优先搜索BFS

当访问一个顶点 v 时,接下来会优先访问所有与 v 直接相邻的顶点

通过「队列」数据结构存储未检查的顶点:

  1. 初始化:标记所有顶点为「未访问」,将起始顶点 v 标记为「已访问」并加入队列
  2. 出队访问:将队首顶点 u 出队,遍历其所有相邻顶点
  3. 入队标记:对每个未访问的相邻顶点,标记为「已访问」并加入队列
  4. 重复:直至队列为空,遍历结束

例子:

寻找图中的关节点Articulation Point

在无向图 G 中(含多个顶点),若存在两个不同于 v 的顶点 u 和 w,使得 u 与 w 之间的所有路径都必须经过 v,则顶点 v 称为「关节点」(也叫割点)

若移除顶点 v 及其关联的所有边,原本连通的图 G 会变为不连通的子图,则 v 是关节点

若一个连通图没有关节点,则称该图为「双连通图」

基于 DFS 寻找关节点:

  • α v αv αv:顶点 v 的「访问顺序」
    (即 DFS 过程中首次访问 v 时的时间戳)
  • β v βv βv:顶点 v 能通过「回边」到达的「最早祖先节点」的访问顺序
    (初始时 β v = α v βv = αv βv=αv,遍历中动态更新)

遍历过程中, β v βv βv 取以下三者的最小值:
β v = m i n { α v , α 父节点 w , β 子节点 u } \betav = min\{ \alphav, \alpha\\text{父节点}w, \beta\\text{子节点}u \} βv=min{αv,α父节点w,β子节点u}
例子:

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