日撸 Java 三百行day32

文章目录

  • 说明
  • day32 图的连通性检测
    • 1.思路
      • 1.1矩阵表示
      • 1.2.矩阵相乘
      • 1.3结合矩阵运算思考图的连通性。
    • 2.代码

说明

闵老师的文章链接: 日撸 Java 三百行(总述)_minfanphd的博客-CSDN博客
自己也把手敲的代码放在了github上维护:https://github.com/fulisha-ok/sampledata

day32 图的连通性检测

1.思路

1.1矩阵表示

看一个矩阵M,Vi->Vj值不为0,则说明vi能到vj(对角线表示自身)
日撸 Java 三百行day32_第1张图片

1.2.矩阵相乘

矩阵相乘运算(如MM = M^2 )。矩阵运算:求一个结点的运算 ∑ i = 1 n m i k ⋅ m k j \displaystyle\sum_{i=1}^{n} m_{ik}\cdot m_{kj} i=1nmikmkj
日撸 Java 三百行day32_第2张图片
结合上面的图,三个结点1 2 3; m32 = 1代表3到2有路径,m32
m21 = 1 代表代表3到2有路径,且2到1有路径,进而3到1有路径,只不过需要通过2这个结点。如这里m31m11+m32m21+m33*m31=1表明3到1 只有一条路径。

1.3结合矩阵运算思考图的连通性。

  • (1) 连通
    当Vi->Vj不能直连时(若最后能相连)则其中会经过一个或几个中间结点。Vi->Vk,Vk->Vj.
    所以假设 m i k ⋅ m k j = 1 m_{ik}\cdot m_{kj}=1 mikmkj=1 可以理解为从Vi->Vk有路径,Vk->Vj有路径,则相乘为1,则Vi->Vj就存在一条路径,且长度是为2的路径连通。 通过公式
    ∑ k = 1 n m i k ⋅ m k j \sum_{k=1}^{n}m_{ik}\cdot m_{kj} k=1nmikmkj 若值等于0说明不连通,若值大于0说明连通,且可以知道Vi到Vj有几条路。

  • (2) 不连通
    假设 m i k ⋅ m k j = 0 m_{ik}\cdot m_{kj}=0 mikmkj=0表示不存在Vi->Vj这样的路径.​
    所以矩阵相乘可以去看矩阵的连通性。进一步 M n M^{n} Mn就是长度为m路的数目。

2.代码

再来看文章中: M a = M 0 + M 1 + . . . + M n − 1 M_{a} = M^{0} + M^{1} + ...+ M^{n-1} Ma=M0+M1+...+Mn1 有n个结点,为什么只需要到n-1?因为假设有n个结点,最多需要n-1条边连起来。今天这个根据矩阵的运算来判断图的连通性,以前我只知道通过遍历图看图的连通性,今天从数学角度去思考图的连通性,有收获!再去读代码写代码就很好理解了(我觉得主要的逻辑代码就在getConnectivity方法中的step3中的这一个for循环中)。

package graph;

import matrix.IntMatrix;
public class Graph {

    IntMatrix connectivityMatrix;

    /**
     * The first constructor.
     * @param paraNumNodes The number of nodes in the graph.
     */
    public Graph(int paraNumNodes){
        connectivityMatrix = new IntMatrix(paraNumNodes, paraNumNodes);
    }

    /**
     * The second constructor.
     * @param paraMatrix The data matrix.
     */
    public Graph(int[][] paraMatrix){
        connectivityMatrix = new IntMatrix(paraMatrix);
    }

    @Override
    public String toString(){
        return "This is the connectivity matrix of the graph.\r\n" + connectivityMatrix;
    }

    /**
     * Get the connectivity of the graph.
     * @return
     */
    public boolean getConnectivity() throws Exception {
        // Step 1. Initialize accumulated matrix.
        IntMatrix tempConnectivityMatrix = IntMatrix.getIdentityMatrix(connectivityMatrix.getData().length);

        //Step 2. Initialize
        IntMatrix tempMultipliedMatrix = new IntMatrix(connectivityMatrix);

        //Step 3. Determine the actual connectivity.
        for (int i = 0; i < connectivityMatrix.getData().length - 1; i++){
            // M_a = M_a + M^k
            tempConnectivityMatrix.add(tempMultipliedMatrix);
            // M^k
            tempMultipliedMatrix = IntMatrix.multiply(tempMultipliedMatrix, connectivityMatrix);
        }

        // Step 4. Check the connectivity.
        System.out.println("The connectivity matrix is: " + tempConnectivityMatrix);
        int[][] tempData = tempConnectivityMatrix.getData();
        for (int i = 0; i < tempData.length; i++) {
            for (int j = 0; j < tempData.length; j++){
                if (tempData[i][j] == 0){
                    System.out.println("Node " + i + " cannot reach " + j);
                    return false;
                }
            }
        }
        return true;
    }

    /**
     * Unit test for getConnectivity.
     */
    public static void getConnectivityTest(){
        int[][] tempMatrix = { { 0, 1, 0 }, { 1, 0, 1 }, { 0, 1, 0 } };
        Graph tempGraph2 = new Graph(tempMatrix);
        System.out.println(tempGraph2);

        boolean tempConnected = false;
        try {
            tempConnected = tempGraph2.getConnectivity();
        } catch (Exception ee) {
            System.out.println(ee.getMessage());
        }
        System.out.println("Is the graph connected? " + tempConnected);

        //Test a directed graph. Remove one arc to form a directed graph.
        tempGraph2.connectivityMatrix.setValue(1, 0, 0);
        tempConnected = false;
        try {
            tempConnected = tempGraph2.getConnectivity();
        } catch (Exception ee) {
            System.out.println(ee);
        }

        System.out.println("Is the graph connected? " + tempConnected);

    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello!");
        Graph tempGraph = new Graph(3);
        System.out.println(tempGraph);

        // Unit test.
        getConnectivityTest();
    }
}

日撸 Java 三百行day32_第3张图片

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