图论基础:邻接矩阵与邻接表详解

一、图的基础概念

1. 什么是图

由顶点(节点)和边组成的数据结构,用来描述多元素之间复杂关系。

  • 顶点:图中的数据节点
  • 边:两个顶点之间的连线

2. 图的分类

  1. 无向图:边没有方向,A 连通 B = B 连通 A
  2. 有向图:边有方向,单向通行
  3. 有权图:边上带有数值(距离、代价、流量)
  4. 无权图:边只代表连通关系,无数值

3. 基础术语

  • 度:一个顶点相连边的数量
  • 入度:有向图指向该点的边数
  • 出度:有向图从该点出发的边数
  • 连通图:任意两点之间都有路径可达

二、存储方式一:邻接矩阵

原理

用二维数组存储图关系

  • g[i][j] = 1:i 到 j 连通
  • g[i][j] = 0:i 到 j 不连通
  • 有权图直接存入权重数值

1. 无向图邻接矩阵

复制代码
const int N = 105;
int g[N][N];

// 初始化全部不连通
void init()
{
    for(int i = 0; i < N; i++)
        for(int j = 0; j < N; j++)
            g[i][j] = 0;
}

无向图特点:矩阵沿对角线对称

2. 有向图邻接矩阵

只单向赋值,矩阵不对称。

邻接矩阵优缺点

  • 优点:判断两点是否连通O(1),写法简单
  • 缺点:空间复杂度高 O (n²),顶点数量多时极度浪费内存
  • 适用:顶点数量少、稠密图

三、存储方式二:邻接表(刷题最常用)

原理

每个顶点开辟一条链表 /vector,存储它所有能直达的邻接点。C++ 刷题统一用 vector<vector<int>> 实现。

1. 无向图邻接表构建

复制代码
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

const int N = 105;
vector<int> adj[N];

// 添加无向边
void addEdge(int u, int v)
{
    adj[u].push_back(v);
    adj[v].push_back(u);
}

2. 有向图邻接表构建

复制代码
// 添加有向边 u -> v
void addDirEdge(int u, int v)
{
    adj[u].push_back(v);
}

遍历邻接表

复制代码
// 遍历u所有邻接点
for(int x : adj[u])
{
    cout << x << " ";
}

邻接表优缺点

  • 优点:空间极小,只存真实存在的边,稀疏图首选
  • 缺点:判断两点连通需要遍历链表,速度慢一点
  • 适用:顶点多、边少的稀疏图(算法题 90% 都是)

四、完整建图演示

复制代码
int main()
{
    // 构建无向图
    addEdge(1,2);
    addEdge(1,3);
    addEdge(2,4);
    addEdge(3,4);

    // 输出1号节点所有邻居
    cout << "顶点1连通节点:";
    for(int x : adj[1]) cout << x << " ";
    return 0;
}

五、两种存储方式选型口诀

  1. 顶点少、边密集 → 邻接矩阵
  2. 顶点多、边稀疏、算法刷题 → 邻接表 (vector)
  3. 判断两点快速连通用矩阵,遍历路径全用邻接表

六、图论学习路线预告

  1. 图存储(今日)
  2. DFS 深度优先遍历
  3. BFS 广度优先遍历
  4. 最短路径:Dijkstra、Floyd
  5. 最小生成树、拓扑排序

七、新手易错点

  1. 无向图建边只写单向,忘记双向添加
  2. 邻接矩阵数组开太小越界
  3. 混淆有向图与无向图建图逻辑
  4. 分不清稠密图与稀疏图该用哪种存储

八、今日总结

  1. 图分为有向 / 无向、有权 / 无权四大类
  2. 邻接矩阵:二维数组,简单耗空间
  3. 邻接表:vector 链表,刷题主流首选
  4. 建图是所有图论算法的前置基础
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