【算法】二分图判定

本文参考：
LABULADONG 的算法网站

1.概述

（1）二分图 (Bipartite Graph)，又称为二部图，是图论中的一种特殊模型。 设 G = (V, E) 是一个无向图，如果顶点 V 可分割为两个互不相交的子集 A 和 B，并且图中的每条边 (i, j) 所关联的两个顶点 i 和 j 分别属于这两个不同的顶点集，则称图 G 为一个二分图。

（2）二分图的判定其实就等同于图的双色问题，双色问题即：给你一幅图，请你用两种颜色将图中的所有顶点着色，且使得任意一条边的两个端点的颜色都不相同，你能做到吗？

（3）例如，下图就是一个二分图。

2.代码实现

（1）使用 BFS 来判定二分图的代码实现如下：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

class Solution {
    // flag 用于标记该图是否为二分图
    boolean flag = true;
    // color 记录图中节点的颜色，false 和 true 分别代表两种不同的颜色
    boolean[] color;
    // visited 记录图中的节点是否被访问过
    boolean[] visited;
    
    // adjMatrix 为邻接矩阵
    public boolean isBipartite(int[][] adjMatrix) {
        //n 为节点个数
        int n = adjMatrix.length;
        //初始化
        color = new boolean[n];
        visited = new boolean[n];
        /*
            因为图不一定是联通的，可能存在多个子图，所以要把每个节点都作为起点进行一次遍历
            如果发现任何一个子图不是二分图，整幅图都不算二分图
        */
        for (int v = 0; v < n; v++) {
            if (!visited[v]) {
                bfs(adjMatrix, v);
            }
        }
        return flag;
    }
    
    //BFS
    public void bfs(int[][] adjMatrix, int start) {
        //定义队列
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        //当前节点已经被访问
        visited[start] = true;
        //将当前节点存入队列中
        queue.offer(start);
        while (!queue.isEmpty() && flag) {
            //取出队首节点
            int v = queue.poll();
            //遍历与 v 相邻的所有节点
            for (int w : adjMatrix[v]) {
                if (!visited[w]) {
                    //相邻节点 w 没有被访问过，则应该给 w 涂上与 v 不同的颜色
                    color[w] = !color[v];
                    //节点 w 已经被访问
                    visited[w] = true;
                    //将节点 w 存入队列
                    queue.offer(w);
                } else {
                    //相邻节点 w 没有被访问过，则应该判断 w 与 v 的颜色是否相同
                    if (color[w] == color[v]) {
                        // v 和 w 的颜色相同，则说明该图不是二分图，令 flag = false，然后直接返回即可
                        flag = false;
                        return;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

（2）使用 DFS 来判定二分图的代码实现如下：

class Solution {
    // flag 用于标记该图是否为二分图
    boolean flag = true;
    // color 记录图中节点的颜色，false 和 true 分别代表两种不同的颜色
    boolean[] color;
    // visited 记录图中的节点是否被访问过
    boolean[] visited;
    
    // adjMatrix 为邻接矩阵
    public boolean isBipartite(int[][] adjMatrix) {
        //n 为节点个数
        int n = adjMatrix.length;
        //初始化
        color = new boolean[n];
        visited = new boolean[n];
        /*
            因为图不一定是联通的，可能存在多个子图，所以要把每个节点都作为起点进行一次遍历
            如果发现任何一个子图不是二分图，整幅图都不算二分图
        */
        for (int v = 0; v < n; v++) {
            if (visited[v] == false) {
                dfs(adjMatrix, v);
            }
        }
        return flag;
    }
    
    //DFS
    public void dfs(int[][] adjMatrix, int v) {
        if (flag == false) {
            //如果已经确定该图不是二分图，则直接返回即可
            return;
        }
        //当前节点已经被访问
        visited[v] = true;
        for (int w : adjMatrix[v]) {
            if (visited[w] == false) {
                //相邻节点 w 没有被访问过，则应该给 w 涂上与 v 不同的颜色
                color[w] = !color[v];
                //继续遍历与 w 相邻的所有节点
                dfs(adjMatrix, w);
            } else {
                //相邻节点 w 没有被访问过，则应该判断 w 与 v 的颜色是否相同
                if (color[w] == color[v]) {
                    //v 和 w 的颜色相同，则说明该图不是二分图，令 flag = false，然后直接返回即可
                    flag = false;
                    return;
                }
            }
        }
    }
}

有关 BFS 的具体细节可以参考【算法】广度优先遍历 (BFS) 这篇文章。
有关 DFS 的具体细节可以参考【算法】深度优先遍历 (DFS) 这篇文章。

3.应用

（1）LeetCode 中的886.可能的二分法这题便是对二分图判定的应用：

该题的本质就是二分图的判定，只不过本题需要先通过数组 dislikes 来构建图，代码实现如下：

class Solution {
    //flag 用于标记该图是否为二分图
    boolean flag = true;
    //color 记录图中节点的颜色，false 和 true 分别代表两种不同的颜色
    boolean[] color;
    //visited 记录图中的节点是否被访问过
    boolean[] visited;

    public boolean possibleBipartition(int n, int[][] dislikes) {
        //初始化，节点编号从 1 开始
        color = new boolean[n + 1];
        visited = new boolean[n + 1];
        //构建图
        List<Integer>[] graph = buildGraph(n, dislikes);
        for (int v = 1; v <= n; v++) {
            if (!visited[v]) {
                DFS(v, graph);
            }
        }
        return flag;
    }

    /*
        利用题目所给信息构建无向图，通过邻接表存储
        其中 n 表示节点个数，dislikes 存储节点之间的关系 
    */
    public List<Integer>[] buildGraph(int n, int[][] dislikes) {
        //图节点编号为 1...n
        List<Integer>[] graph = new LinkedList[n + 1];
        //创建 n 个节点
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            graph[i] = new LinkedList<>();
        }
        //创建节点之间的关系(即无向边)
        for (int[] edge : dislikes) {
            int v = edge[1];
            int w = edge[0];
            //无向图相当于双向图
            // v -> w
            graph[v].add(w);
            // w -> v
            graph[w].add(v);
        }
        return graph;
    }

    public void DFS(int v, List<Integer>[] graph) {
        if (flag == false) {
            return;
        }
        visited[v] = true;
        for (int w : graph[v]) {
            if (visited[w] == false) {
                //节点 w 未被访问过
                color[w] = !color[v];
                DFS(w, graph);
            } else {
                //节点 w 已被访问过
                if (color[w] == color[v]) {
                    flag = false;
                    return;
                }
            }
        }
    }
}

（2）大家可以去 LeetCode 上找相关的二分图判定的题目来练习，或者也可以直接查看LeetCode算法刷题目录（Java）这篇文章中的二分图章节。如果大家发现文章中的错误之处，可在评论区中指出。