算法第十九期——图论初入门

目录

一、前言

二、图的概念

三、图应用背景

四、图的种类

五、【图算法的复杂度】

六、【图的存储】

六.1、【数组存边】

六.2、【邻接矩阵】

六.3、【邻接表】

六.4、【链式前向星】（一般比赛用不着）

七、【图的遍历和连通性】

七.1、【如何遍历非连通图】

七.2、【用DFS判断连通性】

八、例题全球变暖（2018年省赛，lanqiao0J题号178）

九、欧拉路径

九.1、【欧拉路】

九.2、【欧拉路和欧拉回路是否存在】

九.3、小例题

十、例题（洛谷P7771）

代码

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一、前言

本文主要讲了树与图的基本概念，图的存储、DFS遍历，欧拉路与欧拉回路以及相关例题。

二、图的概念

• 图：由点 (node，或者vertex) 和连接点的边 (edge) 组成。
• 图是点和边构成的网。(n个点最多有条边）
• 稠密图（边数较多）可以用矩阵来存储

• 树 (是一种特殊的图)，即连通无环图
• 树的结点从根开始，层层扩展子树，是一种层次关系，这种层次关系，保证了树上不会出现环路。 
• 两点之间的路径：有且仅有一条路径。
• 最近公共祖先：例如K的祖先有E、B、A；F的祖先有B、A。最近公共祖先是B。

三、图应用背景

• 地图:路口、道路、过路费…
• 计算机网络：路由协议
• 人际关系：“六度空间理论”。世界上任意两个人，最多通过五个中间人就能联系到。把人看成点，人和人之间的关系看成边，这就是一个图的连通性问题。

四、图的种类

• (1）无向无权图，边没有权值、没有方向;     （用BFS求最短路径）
• (2〉有向无权图，边有方向、无权值;            （用BFS求最短路径）
• (3）加权无向图，边有权值，但没有方向;     （Floyd算法和Dijkstra算法）
• (4）加权有向图;（floyd算法和dijkstra算法）（Floyd算法和Dijkstra算法）
• (5）有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG）。

  

五、【图算法的复杂度】

• 和边的数量E、点的数量V相关。
• O(V+E)：几乎是图问题中能达到的最好程度。（树的问题）
• O(VlogE)、O(ElogV)：很好的算法。例如：Dijkstra算法
• O(v^2)、O(E^2)或更高：不算是好的算法。例如：Floyd算法：O(）
• 例：最短路径（无权：O(V+E)、有权：O(VlogE)）、树的LCA（最近公共祖先）

六、【图的存储】

能快速访问：图的存储，能让程序很快定位结点 u 和 v 的边 (u，v)。

• 数组存边：简单、空间使用最少；无法快速定位
• 邻接矩阵：简单、空间使用最大；定位最快（适合在稠密图中）
• 邻接表：空间很少，定位较快
• 链式前向星：空间更少，定位较快

六.1、【数组存边】

优点：简单、最省空间。

缺点：无法快速定位某条边。

应用：最小生成树的kruskal算法

e=[]
for i in range(m):
    u,v,w=map(int,input().split())
    e.append((u,v,w))

六.2、【邻接矩阵】

二维数组：graph[NUM][NUM]

• 无向图：graph[i][j] = graph[j][i]
• 有向图：graph[i][j] != graph[j][i]

权值：graph[i][j] 存结点 i 到 j 的边的权值（边长）。例如 graph[1][2]=3，graph[2][1]=5 等等，用 graph[i][j]=INF 表示 i，j 之间无边。

优点:

• 适合稠密图
• 编码非常简短
• 对边的存储、查询、更新等操作又快又简单

缺点:

• 存储复杂度O()太高。V=10000时，空间100M。
• 不能存储重边。
   

六.3、【邻接表】

• 应用场景：大稀疏图

优点：

• 存储效率非常高，存储复杂度 O(V+E)
• 能存储重边
• 定位速度较快

edge=[[] for i in range(N+1)] #定义邻接表
for i in range(N):
    u,v,w=map(int,input().split()) #读入点u,v和边长w
    edge[u].append((v,w))
    edge[v].append((u,w)) #无向边
for v,w in edge[u]:

六.4、【链式前向星】（一般比赛用不着）

空间极端紧张，紧凑的存图方法。

例：结点2，从点2出发的边有4条(2， 1)，(2，3)，(2，4)，(2，5)，邻居是1、3、4、5

(1）定位第1个边。head[2]指向结点2的第1个边，head[2] = 8，存储在edge[8]。
(2）定位其它边。用next参数，指向下一个边。
edge[8].next = 6，下一个边在edge[6]位置;

edge[6].next = 4，下一个边在edge[4]位置;
edge[4].next = 1，下一个边在edge[1]位置;
edge[1].next = -1，-1表示结束。
 

七、【图的遍历和连通性】

• BFS 和 DFS：图论的基本算法。
• 图论算法，或者直按用 BFS 和 DFS 来解决问题，或者用其思想建立新的算法。

七.1、【如何遍历非连通图】

想象有个虛拟结点 v，它连接了所有点

 在主程序中对这些点逐一进行 dfs()

for i in range(n):
    dfs(i)

七.2、【用DFS判断连通性】

判断连通性可以用DFS、BFS和并查集，但使用DFS比较容易！

例:从a点开始，按字典序遍历图

 图注：序号表示遍历的顺序。实线表示遍历点走过的边，虚线表示没有必要再走的边（因为下一点已经走过了）。

• 对需要的点执行 dfs()，就能找到它连通的点。

找 e 点的连通性：执行 dfs(e)。

• 访问过程：见结点上面的数字，顺序是：e, b, d, c, a
• 递归返回的结果：见结点下面划线数字，顺序是：a, c, d, b, e

八、例题全球变暖（2018年省赛，lanqiao0J题号178）

连通性问题，计算步骤:

• 遍历一个连通块（找到这个连通块中所有的' # '，标记已经搜过，不用再搜);
• 再遍历下一个连通块......
• 遍历完所有连通块，统计有多少个连通块。

该题目在我写DFS的笔记时就讲过。

见连接：算法第八期——DFS(深度优先搜索)的深入应用(Python)

import sys
sys.setrecursionlimit(65000)
 
def dfs(x,y):
    global vis, m, flag, N
    vis[x][y]=-1
    d=[(-1,0),(1,0),(0,-1),(0,1)]
    if m[x-1][y]=='#' and m[x+1][y]=='#' and \
       m[x][y-1]=='#' and m[x][y+1]=='#':
        flag=1
    for i in range(4):
        dx=x+d[i][0]
        dy=y+d[i][1]
        if dx<0 or dx>=N or dy<0 or dy>=N:
            continue
        if vis[dx][dy]==0 and m[dx][dy]=='#':
            dfs(dx,dy)
        
N=int(input())
vis=[[0]*(N+1) for _ in range(N+1)]
m=[]
for _ in range(N):
    m.append(list(input()))
 
cnt=0
for i in range(1,N-1):
    for j in range(1,N-1):
        if vis[i][j]==0 and m[i][j]=='#':
            flag=0
            dfs(i,j)
            if flag==0:
                cnt+=1
print(cnt)

九、欧拉路径

九.1、【欧拉路】

• 欧拉路：从图中某个点出发，遍历整个图，图中每条边通过且只通过一次。
• 欧拉回路：起点和终点相同的欧拉路。

​

欧拉路问题：

1）是否存在欧拉路

2）打印出欧拉路（题目可能要求打印字典序最小的欧拉路，因为可能存在多条欧拉路） 

九.2、【欧拉路和欧拉回路是否存在】

先介绍一个概念：

度 (degree)：一个点上连接的边的数量，称为这个点的度数。

在无向图中，如果度数是奇数，这个点称为奇点，否则称为偶点。

1）：无向连通图的判断条件

如果图中的点全都是偶点，则存在欧拉回路；任意一点都可以作为起点和终点。如果只有 2 个奇点，则存在欧拉路，其中一个奇点是起点，另一个是终点。不可能出现有奇数个奇点的无向图。

​

2）：有向连通图的判断条件 

把一个点上的出度记为 1，入度记为 -1，这个点上所有出度和入度相加，就是它的度数。

一个有向图存在欧拉回路，当且仅当该图所有点的度数为零。

如果只有一个度数为 1 的点，一个度数为 -1的点，其它所有点的度数为0， 那么存在欧拉路径，其中度数为 1 的是起点，度数为 -1 的是终点。

​

九.3、小例题

题目描述：有 n 个珠子。每个珠子有两种颜色，分布在珠子的两边。一共有 50 种不同的颜色。把这些珠子串起来，要求两个相邻的珠子接触的那部分颜色相同。问是否能连成一个珠串项链？如果能，打印一种连法。

• 答：这一题是典型的无向图求欧拉回路。首先进行建模，可以把珠子抽象成边，颜色抽象成点。判断所有的点是否为偶点，如果存在奇点，则没有欧拉回路；其次，判断所给的图是否连通，不连通也不是欧拉回路。

   

【输出一个欧拉回路】

对一个无向连通图做 DFS，就输出了一个欧拉回路。

【DFS与欧拉回路】

DFS的结果是一个欧拉回路。

回溯的顺序就是一条欧拉回路。

十、例题（洛谷P7771）

原题链接：【模板】欧拉路径 - 洛谷

【题目描述】

求有向图字典序最小的欧拉路径

【输入格式】

第一行 2 个整数 n、m，表示有向图的点数和边数。下面 m 行，每行 2 个整数 u、v，表示存在一个有向边边 u->v

【输出格式】

如果不存在欧拉路径，输出一行 No。

否则输出一行 m+1 个数字，表示字典序最小的欧拉路径。

代码

python题解只能过60%

import sys
def dfs(u):
    i=d[u]          #从点u的第一条边i=0开始
    while i