Acwing《算法基础课》第3章 搜索与图论

Acwing《算法基础课》第3章 搜索与图论

---

深度优先遍历DFS

模板：

bool st[N];			// 标记是否用过
int h[N], ne[N];

int dfs(int u)
{
    if (...) {...; return;}		// 输出结果，记得加return语句（或者后边部分用else括起）
    
    st[u] = true; 		// st[u] 表示点u已经被遍历过

    for (int p = h[u]; p != -1; p = ne[p])
    {
        int v = e[p];
        if (!st[v]) dfs(v);
    }
    
    st[u] = false;		// 恢复现场
}

说明：

• 空间复杂度为$O(h)$，对空间复杂度高的考虑DFS
• 不具备最短性

宽度优先搜索BFS

模板：

queue<int> q;
st[1] = true; // 表示1号点已经被遍历过
q.push(1);

while (q.size())
{
    int u = q.front();
    q.pop();

    for (int p = h[u]; p != -1; p = ne[p])
    {
        int v = e[p];
        if (!st[v])
        {
            st[v] = true; // 表示点j已经被遍历过
            q.push(v);
        }
    }
}

说明：

• 如果手动实现queue，则容量一般取N * N
• BFS只适用边权为1的迷宫

拓扑排序

模板：

int d[N];		// 入度

bool topsort()
{
    int hh = 0, tt = -1;

    // d[i] 存储点i的入度
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (!d[i])
            q[ ++ tt] = i;

    while (hh <= tt)
    {
        int t = q[hh ++ ];

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (-- d[j] == 0)
                q[ ++ tt] = j;
        }
    }

    // 如果所有点都入队了，说明存在拓扑序列；否则不存在拓扑序列。
    return tt == n - 1;
}

说明：

• 有向无环图又称拓扑图
• 有向无环图一定至少存在一个入度为0的点（反证法 + 抽屉原理证明）
• 当循环结束后，若队列的长度为n，则拓扑排序存在
• 在添加边时，可以顺便统计入度
• 可以使用其它数据结构存储结果（例如线性表，栈等，甚至是集合）
• 时间复杂度是$O(n+m)$

dijkstra算法

朴素dijkstra算法

模板：

int g[N][N];  // 存储每条边
int dist[N];  // 存储1号点到每个点的最短距离
bool st[N];   // 存储每个点的最短路是否已经确定

// 求1号点到n号点的最短路，如果不存在则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);		// 0x3f3f3f3f作为距离的“最大值”
    dist[1] = 0;							// 自己到自己的距离为0

    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )		// 执行n-1次（自己到自己的距离已经确定）
    {
        int t = -1;     // 在还未确定最短路的点中，寻找距离最小的点
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        // 用t更新其他点的距离
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            dist[j] = min(dist[j], dist[t] + g[t][j]);

        st[t] = true;
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;		// 不可达
    return dist[n];
}

说明：

• 由于最多有$10^5$条边，且每条边的长度不超过$10^4$，因此最大距离不超过$10^9$，0x3F3F3F3F比$10^9$大一些，因此可当做距离的最大值。好处是只用一行memset(d, 0x3f, sizeof d)就能实现把d数组各值初始化为“最大值”
• t == -1 || dist[t] > dist[j]使得t不必选第1个标记，实际上t = 1也是可以的，只需把循环条件从j = 2开始就可以
• min(dist[j], dist[t] + g[t][j])不要错写成min(dist[j], g[1][t] + g[t][j])
• 对于重边的条件，不能使用编译器赋予的初值0，而应该赋予一个比边长最大值更大的值，例如memset(g, 0x3f, sizeof g)，然后用g[a][b] = min(g[a][b], c)记录最小的重边即可
• 时间复杂度为$O(n^2+m)$

堆优化dijkstra算法

模板：

typedef pair<int, int> PII;

int n;      // 点的数量
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储所有点到1号点的距离
bool st[N];     // 存储每个点的最短距离是否已确定

// 求1号点到n号点的最短距离，如果不存在，则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x7f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;
    priority_queue<PII, vector<PII>, greater<PII>> heap;		// 小根堆
    heap.push({0, 1});      // first存储距离（顶点1到顶点second的距离），second存储尾顶点编号

    while (heap.size())
    {
        auto t = heap.top();
        heap.pop();

        int ver = t.second, distance = t.first;

        if (st[ver]) continue;
        st[ver] = true;

        for (int i = h[ver]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > distance + w[i])
            {
                dist[j] = distance + w[i];
                heap.push({dist[j], j});
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x7f7f7f7f) return -1;
    return dist[n];
}

说明：

• 边长最大值为$10^4$，最多有$1.5\times 10^5$条边，因此距离最大值为$1.5\times 10^9$，因此0x3f3f3f3f不可代表最大值，可用0x7f7f7f7f代替
• 改用邻接表数据结构
• 使用小根堆优化查找最小距离的过程
• 小根堆可能存在冗余数据
• 算法类似BFS，因为在修改其它顶点最短距离的过程中，堆优化版本并没有遍历所有的顶点，而是遍历所有与当前选取的最小顶点有关的边
• 时间复杂度为$O(m\text{log}n)$

Bellman-Ford

朴素Bellman-Ford算法

模板：

int n, m, k;       				// n表示点数，m表示边数，k是路径的最大边数 
int dist[N], backup[N];       	 // dist[x]存储1到x的最短路距离

// 三元组
struct Edge     // 边，a表示出点，b表示入点，w表示边的权重
{
    int a, b, w;
}edges[M];

// 求1到n的最短路距离，如果无法从1走到n，则返回-1。
int bellman_ford()
{
    memset(dist, 0x7f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    // 如果第n次迭代仍然会松弛三角不等式（存在更新），就说明存在一条长度是n+1的最短路径，由抽屉原理，路径中至少存在两个相同的点，说明图中存在负权回路。
    for (int i = 0; i < k; i ++ )		// 如果没有k，则用n代替k
    {
        memcpy(backup, dist, sizeof dist);		// 备份，防止读后写
        for (int j = 0; j < m; j ++ )
        {
            int a = edges[j].a, b = edges[j].b, w = edges[j].w;
            dist[b] = min(dist[b], dist[a] + w)
        }
    }

    if (dist[n] > 0x7f7f7f7f / 2) return -1;
    return dist[n];
}

说明：

• 除了可以用邻接矩阵和邻接表外，还可用三元组存储图
• 允许存在负权边，而Dijkstra算法不允许
• 外循环次数决定最小路径的最大边数
  • 若第n次迭代有修改，根据容斥原理知道，一定存在负权环（整个环的权重和为负数）
  • 实际应用：换乘不超过$k$次的最短路径（限制路径的边数）
• backup用于保存上次迭代的结果，避免“写后读”。Dijkstra算法不存在这种情况
• 由于存在负权回路（注意不是负权边），因此负权回路有可能把自定义的无穷大0x7f7f7f7f变小，由于最多修改$10000\times 10000=10^8$，而0x7f7f7f7f$>2\times 10^8$，故0x7f7f7f7f / 2依旧是“无穷大”，故可用dist[n] > 0x7f7f7f7f / 2判断是否是无穷大
• 时间复杂度为$O(mn)$

队列优化Bellman-Ford算法——SPFA算法

模板：

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储每个点到1号点的最短距离
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 求1号点到n号点的最短路距离，如果从1号点无法走到n号点则返回-1
int spfa()
{
    memset(dist, 0x7f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    queue<int> q;
    q.push(1);
    st[1] = true;

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;				// 已出队，因此队列不再包含顶点t，需要重置为false

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                if (!st[j])     // 如果队列中已存在j，则不需要将j重复插入
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x7f7f7f7f) return -1;		// 如果题目保证不存在负权回路（不是指负权边），则可这么写
    return dist[n];
}

说明：

• 用队列优化更新最短距离的过程，核心思想是
  • dist[u]发生改变，dist[u] + w才有可能满足< dist[u]
  • 用队列保存最短距离发生改变的顶点（其它数据结构也可以，不一定是队列）
  • 用st记录在队列中的顶点，避免重复更新
  • 由于每次只更新与出队顶点相关的边，因此不会出现“写后读”现象，故改进的bellman-ford算法不需要额外的数组保存上次迭代的结果
• SPFA算法有点像堆优化的Dijkstra算法，但后者依赖优先队列，而前者不需要
• 大多数情况下，Dijkstra算法能解决的问题，SPFA都比它更好，而且适用负权边，因此如果没有限制路径最大边数的情况下，优先考虑SPFA算法，如果过不了就考虑堆优化的Dijkstra算法
• 平均时间复杂度为$O(m)$，最坏时间复杂度为$O(mn)$
• 若要判断负环，则需要额外维护一个数组cnt，用于记录各个最短路径的边数，当边数≥顶点数n时，则一定存在负环

Floyd算法

模板：

const int INF = 1E9;
// 初始化：
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (i == j) d[i][j] = 0;
            else d[i][j] = INF;

// 算法结束后，d[a][b]表示a到b的最短距离
void floyd()
{
    for (int k = 1; k <= n; k ++ )
        for (int i = 1; i <= n; i ++ )
            for (int j = 1; j <= n; j ++ )
                d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
}

说明：

• 最短距离需要把d[i][i] = 0;
• 时间复杂度为$O(n^3)$

Prim算法

模板：

cosnt int INF = 0x3f3f3f3f;
int n;      // n表示点数
int g[N][N];        // 邻接矩阵，存储所有边
int dist[N];        // 存储其他点到当前最小生成树的距离(集合到点u的距离)
bool st[N];     // 存储每个点是否已经在生成树中


// 如果图不连通，则返回INF(值是0x3f3f3f3f), 否则返回最小生成树的树边权重之和
int prim()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);

    int res = 0;
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        int t = -1;
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        if (i && dist[t] == INF) return INF;		// 非首次遍历时，出现集合到其它点都是无穷大的情况，则图为非连通图

        if (i) res += dist[t];						// 第1次迭代得到的dist为无穷大，没意义
        st[t] = true;

        for (int j = 1; j <= n; j ++ ) 
            if(!st[j]) dist[j] = min(dist[j], g[t][j]);		// 可不加if，集合内点的dist应失去意义（受自环影响）
    }

    return res;
}

说明：

• 注意最小生成树解决的是无向图问题，因此存储边时要添加两条有向边
• 允许存在负权边、自环、重边
  • 对于自环，需要先保存最短路径长度，再更新集合到其它点的距离，避免负权自环更新自己，出现写后读问题
  • 对于重边，需要初始化各个点的距离为INF，然后用min读入边
• 应用场景：多城市发电站的选址问题
• 可类似Dijkstra算法，用堆优化Prim算法，时间复杂度为$O(m\text{log}n)$，但由于这个算法只适用稀疏图（因为如果是稠密图的话，性能还不如朴素的Prim算法），对于稀疏图来说，$n$≈$m$，此时性能和kruskal算法接近$O(m\text{log}m)$，而kruskal算法代码更简洁，因此一般不用堆优化的Prim算法
• Prim算法和Dijkstra算法非常相似
  • Prim算法更新其他点到集合的距离
  • Dijkstra算法更新其它点到起点的距离
• 采用邻接矩阵保存图，适用稠密图，时间复杂度为$O(n^2+m)$

Kruskal算法

模板：

int n, m;       // n是点数，m是边数
int p[N];       // 并查集的父节点数组

// 三元组
struct Edge     // 存储边
{
    int a, b, w;

    // 重载<，用于sort排序
    bool operator< (const Edge &W)const
    {
        return w < W.w;
    }
}edges[M];

int find(int x)     // 并查集核心操作
{
    if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
    return p[x];
}

int kruskal()
{
    sort(edges, edges + m);		// 快排，+m是地址运算，得到数组末尾

    for (int i = 1; i <= n; i ++ ) p[i] = i;    // 初始化并查集

    int res = 0, cnt = 0;			// cnt统计边数
    for (int i = 0; i < m; i ++ )
    {
        int a = edges[i].a, b = edges[i].b, w = edges[i].w;

        a = find(a), b = find(b);
        if (a != b)     // 如果两个连通块不连通，则将这两个连通块合并
        {
            p[a] = b;
            res += w;
            cnt ++ ;
        }
    }

    if (cnt < n - 1) return INF;		// 边数小于n-1，不连通
    return res;
}

说明：

• 用于求解稀疏图的最小生成树
• 采用三元组存储图时，没必要保存两条有向边
• 实际上是并查集的简单应用，可参考题目
• 由于是稀疏图，$n$≈$m$，因此没必要在遍历边时提前判断集合a中是否有n个顶点
• 时间复杂度$O(m\text{log}m)$，主要来自排序步骤
• 由于需要对结构体数组排序，因此需要重载<

染色法

用途：

判断二分图

模板：

int n;      // n表示点数
int h[N], e[M], ne[M], idx;     // 邻接表存储图
int color[N];       // 表示每个点的颜色，-1表示未染色，0表示白色，1表示黑色

// 参数：u表示当前节点，c表示当前点的颜色
bool dfs(int u, int c)
{
    color[u] = c;		// 染色
    for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!color[j])
        {
            if (!dfs(j, 3 - c)) return false;		// 用3-c实现交替染色
        }
        else if (color[j] == c) return false;
    }

    return true;
}

bool check()
{
    bool flag = true;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        if (!color[i])
            if (!dfs(i, 1))		// 这里不需要3-c，因为这里进入的都是未染色的起点，换句话说是森林另一棵树的根
            {
                flag = false;
                break;
            }
    return flag;
}

说明：

• 用邻接表存储图，注意无向图的边数为2m
• 核心思想：一个图是二分图，当且仅当图中不含奇数环（环的边数是奇数）
• 时间复杂度$O(n+m)$

匈牙利算法

用途：

二分图的最大匹配

模板：

int n1, n2;     // n1表示第一个集合中的点数，n2表示第二个集合中的点数
int h[N], e[M], ne[M], idx;     // 邻接表存储所有边，匈牙利算法中只会用到从第一个集合指向第二个集合的边，所以这里只用存一个方向的边
int match[N];       // 存储第二个集合中的每个点当前匹配的第一个集合中的点是哪个
bool st[N];     	// 表示第二个集合中的每个点是否已经被遍历过

bool find(int x)
{
    for (int i = h[x]; i != -1; i = ne[i])
    {
        int j = e[i];
        if (!st[j])
        {
            st[j] = true;							// 标记已遍历
            if (!match[j] || find(match[j]))		  // j未被匹配，或j已经匹配但其配对对象可选其它的匹配
            {
                match[j] = x;
                return true;
            }
        }
    }

    return false;
}

// 求最大匹配数，依次枚举第一个集合中的每个点能否匹配第二个集合中的点
int res = 0;
for (int i = 1; i <= n1; i ++ )
{
    memset(st, false, sizeof st);
    if (find(i)) res ++ ;
}

说明：

• 用邻接表存储图，但不必存放双向边，只需存储单向边，因此最大边数为M，而不必用2M
• 核心思想：
  • 假设a和b是左边顶点，c和d是右边顶点，a和b都能匹配c，但a还可以匹配d
  • 当a匹配c后，b没有右边顶点可匹配
  • a存在另一个可匹配顶点d，因此把a改成匹配d，这时b再匹配c
• 最坏时间复杂度$O(nm)$，但实际上会远远小于该复杂度

---

P.S.
部分内容来自y总的模板
如果大家有兴趣，可以去Acwing《算法基础课》看看
我在Acwing也分享了一份，欢迎去围观