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synced 2025-11-02 12:58:42 +08:00
Polish the chapter of graph, hashing, appendix
This commit is contained in:
@ -1,6 +1,6 @@
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# 图
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「图 Graph」是一种非线性数据结构,由「顶点 Vertex」和「边 Edge」组成。我们可将图 $G$ 抽象地表示为一组顶点 $V$ 和一组边 $E$ 的集合。例如,以下表示一个包含 5 个顶点和 7 条边的图
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「图 Graph」是一种非线性数据结构,由「顶点 Vertex」和「边 Edge」组成。我们可以将图 $G$ 抽象地表示为一组顶点 $V$ 和一组边 $E$ 的集合。以下示例展示了一个包含 5 个顶点和 7 条边的图。
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$$
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\begin{aligned}
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@ -12,53 +12,53 @@ $$
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那么,图与其他数据结构的关系是什么?如果我们把「顶点」看作结点,把「边」看作连接各个结点的指针,则可将「图」看成一种从「链表」拓展而来的数据结构。**相比线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,也从而更为复杂**。
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那么,图与其他数据结构的关系是什么?如果我们把「顶点」看作结点,把「边」看作连接各个结点的指针,则可将「图」看作是一种从「链表」拓展而来的数据结构。**相较于线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,从而更为复杂**。
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## 图常见类型
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根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。
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根据边是否具有方向,可分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。
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- 在无向图中,边表示两顶点之间“双向”的连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
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- 在有向图中,边是有方向的,即 $A \rightarrow B$ 和 $A \leftarrow B$ 两个方向的边是相互独立的,例如微博或抖音上的“关注”与“被关注”关系;
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- 在无向图中,边表示两顶点之间的“双向”连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
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- 在有向图中,边具有方向性,即 $A \rightarrow B$ 和 $A \leftarrow B$ 两个方向的边是相互独立的,例如微博或抖音上的“关注”与“被关注”关系;
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根据所有顶点是否连通,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。
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根据所有顶点是否连通,可分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。
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- 对于连通图,从某个顶点出发,可以到达其余任意顶点;
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- 对于非连通图,从某个顶点出发,至少有一个顶点无法到达;
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我们可以给边添加“权重”变量,得到「有权图 Weighted Graph」。例如,在王者荣耀等游戏中,系统会根据共同游戏时间来计算玩家之间的“亲密度”,这种亲密度网络就可以使用有权图来表示。
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我们还可以为边添加“权重”变量,从而得到「有权图 Weighted Graph」。例如,在王者荣耀等手游中,系统会根据共同游戏时间来计算玩家之间的“亲密度”,这种亲密度网络就可以用有权图来表示。
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## 图常用术语
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- 「邻接 Adjacency」:当两顶点之间有边相连时,称此两顶点“邻接”。例如,上图中顶点 1 的邻接顶点为顶点 2, 3, 5 。
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- 「路径 Path」:从顶点 A 到顶点 B 走过的边构成的序列,被称为从 A 到 B 的“路径”。例如,上图中边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一个路径。
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- 「度 Degree」表示一个顶点具有多少条边。对于有向图,「入度 In-Degree」表示有多少条边指向该顶点,「出度 Out-Degree」表示有多少条边从该顶点指出。
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- 「邻接 Adjacency」:当两顶点之间存在边相连时,称这两顶点“邻接”。在上图中,顶点 1 的邻接顶点为顶点 2、3、5。
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- 「路径 Path」:从顶点 A 到顶点 B 经过的边构成的序列被称为从 A 到 B 的“路径”。在上图中,边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一条路径。
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- 「度 Degree」表示一个顶点拥有的边数。对于有向图,「入度 In-Degree」表示有多少条边指向该顶点,「出度 Out-Degree」表示有多少条边从该顶点指出。
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## 图的表示
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图的常用表示方法有「邻接矩阵」和「邻接表」。以下使用「无向图」来举例。
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图的常用表示方法包括「邻接矩阵」和「邻接表」。以下使用无向图进行举例。
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### 邻接矩阵
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设图的顶点数量为 $n$ ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 $n \times n$ 大小的矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,使用 $1$ 或 $0$ 来表示两个顶点之间有边或无边。
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设图的顶点数量为 $n$ ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 $n \times n$ 大小的矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,用 $1$ 或 $0$ 表示两个顶点之间是否存在边。
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如下图所示,记邻接矩阵为 $M$ 、顶点列表为 $V$ ,则矩阵元素 $M[i][j] = 1$ 代表着顶点 $V[i]$ 到顶点 $V[j]$ 之间有边,相反地 $M[i][j] = 0$ 代表两顶点之间无边。
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如下图所示,设邻接矩阵为 $M$ 、顶点列表为 $V$ ,那么矩阵元素 $M[i][j] = 1$ 表示顶点 $V[i]$ 到顶点 $V[j]$ 之间存在边,反之 $M[i][j] = 0$ 表示两顶点之间无边。
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邻接矩阵具有以下性质:
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邻接矩阵具有以下特性:
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- 顶点不能与自身相连,因而邻接矩阵主对角线元素没有意义。
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- 「无向图」两个方向的边等价,此时邻接矩阵关于主对角线对称。
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- 将邻接矩阵的元素从 $1$ , $0$ 替换为权重,则能够表示「有权图」。
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- 顶点不能与自身相连,因此邻接矩阵主对角线元素没有意义。
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- 对于无向图,两个方向的边等价,此时邻接矩阵关于主对角线对称。
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- 将邻接矩阵的元素从 $1$ , $0$ 替换为权重,则可表示有权图。
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使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接通过访问矩阵元素来获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 $O(1)$ 。然而,矩阵的空间复杂度为 $O(n^2)$ ,内存占用较大。
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使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接访问矩阵元素以获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 $O(1)$ 。然而,矩阵的空间复杂度为 $O(n^2)$ ,内存占用较多。
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### 邻接表
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@ -66,20 +66,20 @@ $$
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邻接表仅存储存在的边,而边的总数往往远小于 $n^2$ ,因此更加节省空间。但是,因为在邻接表中需要通过遍历链表来查找边,所以其时间效率不如邻接矩阵。
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邻接表仅存储实际存在的边,而边的总数通常远小于 $n^2$ ,因此它更加节省空间。然而,在邻接表中需要通过遍历链表来查找边,因此其时间效率不如邻接矩阵。
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观察上图发现,**邻接表结构与哈希表「链地址法」非常相似,因此我们也可以用类似方法来优化效率**。比如,当链表较长时,可以把链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 $O(n)$ 优化至 $O(\log n)$ ,还可以通过中序遍历获取有序序列;还可以将链表转化为哈希表,将时间复杂度降低至 $O(1)$ 。
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观察上图可发现,**邻接表结构与哈希表中的「链地址法」非常相似,因此我们也可以采用类似方法来优化效率**。例如,当链表较长时,可以将链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 $O(n)$ 优化至 $O(\log n)$ ,还可以通过中序遍历获取有序序列;此外,还可以将链表转换为哈希表,将时间复杂度降低至 $O(1)$ 。
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## 图常见应用
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现实中的许多系统都可以使用图来建模,对应的待求解问题也可以被约化为图计算问题。
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实际应用中,许多系统都可以用图来建模,相应的待求解问题也可以约化为图计算问题。
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<div class="center-table" markdown>
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| | 顶点 | 边 | 图计算问题 |
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| -------- | ---- | -------------------- | ------------ |
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| 社交网络 | 用户 | 好友关系 | 潜在好友推荐 |
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| 地铁线路 | 站点 | 站点间的连通性 | 最短路线推荐 |
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| 太阳系 | 星体 | 星体间的万有引力作用 | 行星轨道计算 |
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| | 顶点 | 边 | 图计算问题 |
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| ------ | ---- | --------------- | ------------ |
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| 社交网络 | 用户 | 好友关系 | 潜在好友推荐 |
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| 地铁线路 | 站点 | 站点间的连通性 | 最短路线推荐 |
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| 太阳系 | 星体 | 星体间的万有引力作用 | 行星轨道计算 |
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</div>
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@ -1,12 +1,12 @@
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# 图基础操作
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图的基础操作分为对「边」的操作和对「顶点」的操作,在「邻接矩阵」和「邻接表」这两种表示下的实现方式不同。
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图的基础操作可分为对「边」的操作和对「顶点」的操作。在「邻接矩阵」和「邻接表」两种表示方法下,实现方式有所不同。
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## 基于邻接矩阵的实现
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设图的顶点总数为 $n$ ,则有:
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给定一个顶点数量为 $n$ 的无向图,则有:
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- **添加或删除边**:直接在邻接矩阵中修改指定边的对应元素即可,使用 $O(1)$ 时间。而由于是无向图,因此需要同时更新两个方向的边。
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- **添加或删除边**:直接在邻接矩阵中修改指定的边即可,使用 $O(1)$ 时间。而由于是无向图,因此需要同时更新两个方向的边。
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- **添加顶点**:在邻接矩阵的尾部添加一行一列,并全部填 $0$ 即可,使用 $O(n)$ 时间。
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- **删除顶点**:在邻接矩阵中删除一行一列。当删除首行首列时达到最差情况,需要将 $(n-1)^2$ 个元素“向左上移动”,从而使用 $O(n^2)$ 时间。
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- **初始化**:传入 $n$ 个顶点,初始化长度为 $n$ 的顶点列表 `vertices` ,使用 $O(n)$ 时间;初始化 $n \times n$ 大小的邻接矩阵 `adjMat` ,使用 $O(n^2)$ 时间。
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@ -90,13 +90,13 @@
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## 基于邻接表的实现
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设图的顶点总数为 $n$ 、边总数为 $m$ ,则有:
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设无向图的顶点总数为 $n$ 、边总数为 $m$ ,则有:
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- **添加边**:在顶点对应链表的尾部添加边即可,使用 $O(1)$ 时间。因为是无向图,所以需要同时添加两个方向的边。
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- **删除边**:在顶点对应链表中查询与删除指定边,使用 $O(m)$ 时间。与添加边一样,需要同时删除两个方向的边。
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- **添加顶点**:在邻接表中添加一个链表即可,并以新增顶点为链表头结点,使用 $O(1)$ 时间。
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- **删除顶点**:需要遍历整个邻接表,删除包含指定顶点的所有边,使用 $O(n + m)$ 时间。
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- **初始化**:需要在邻接表中建立 $n$ 个结点和 $2m$ 条边,使用 $O(n + m)$ 时间。
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- **添加边**:在顶点对应链表的末尾添加边即可,使用 $O(1)$ 时间。因为是无向图,所以需要同时添加两个方向的边。
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- **删除边**:在顶点对应链表中查找并删除指定边,使用 $O(m)$ 时间。在无向图中,需要同时删除两个方向的边。
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- **添加顶点**:在邻接表中添加一个链表,并将新增顶点作为链表头结点,使用 $O(1)$ 时间。
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- **删除顶点**:需遍历整个邻接表,删除包含指定顶点的所有边,使用 $O(1)$ 时间。
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- **初始化**:在邻接表中创建 $n$ 个顶点和 $2m$ 条边,使用 $O(n + m)$ 时间。
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=== "初始化邻接表"
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@ -113,10 +113,10 @@
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=== "删除顶点"
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基于邻接表实现图的代码如下所示。细心的同学可能注意到,**我们在邻接表中使用 `Vertex` 结点类来表示顶点**,这样做的原因是:
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以下是基于邻接表实现图的代码示例。细心的同学可能注意到,**我们在邻接表中使用 `Vertex` 结点类来表示顶点**,这样做的原因有:
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- 如果我们选择通过顶点值来区分不同顶点,那么值重复的顶点将无法被区分。
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- 如果类似邻接矩阵那样,使用顶点列表索引来区分不同顶点。那么,假设我们想要删除索引为 $i$ 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 $> i$ 的索引全部执行 $-1$ ,这样操作效率太低。
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- 如果类似邻接矩阵那样,使用顶点列表索引来区分不同顶点。那么,假设我们想要删除索引为 $i$ 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 $> i$ 的索引全部减 $1$,这样操作效率较低。
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- 因此我们考虑引入顶点类 `Vertex` ,使得每个顶点都是唯一的对象,此时删除顶点时就无需改动其余顶点了。
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=== "Java"
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@ -196,4 +196,4 @@
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</div>
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观察上表,貌似邻接表(哈希表)的时间与空间效率最优。但实际上,在邻接矩阵中操作边的效率更高,只需要一次数组访问或赋值操作即可。总结以上,**邻接矩阵体现“以空间换时间”,邻接表体现“以时间换空间”**。
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观察上表,似乎邻接表(哈希表)的时间与空间效率最优。但实际上,在邻接矩阵中操作边的效率更高,只需要一次数组访问或赋值操作即可。综合来看,邻接矩阵体现了“以空间换时间”的原则,而邻接表体现了“以时间换空间”的原则。
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@ -2,25 +2,25 @@
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!!! note "图与树的关系"
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树代表的是“一对多”的关系,而图则自由度更高,可以代表任意“多对多”关系。本质上,**可以把树看作是图的一类特例**。那么显然,树遍历操作也是图遍历操作的一个特例,两者的方法是非常类似的,建议你在学习本章节的过程中将两者融会贯通。
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树代表的是“一对多”的关系,而图则具有更高的自由度,可以表示任意的“多对多”关系。因此,我们可以把树看作是图的一种特例。显然,**树的遍历操作也是图的遍历操作的一种特例**,建议你在学习本章节时融会贯通两者的概念与实现方法。
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「图」与「树」都是非线性数据结构,都需要使用「搜索算法」来实现遍历操作。
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「图」和「树」都是非线性数据结构,都需要使用「搜索算法」来实现遍历操作。
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类似地,图的遍历方式也分为两种,即「广度优先遍历 Breadth-First Traversal」和「深度优先遍历 Depth-First Travsersal」,也称「广度优先搜索 Breadth-First Search」和「深度优先搜索 Depth-First Search」,简称为 BFS 和 DFS 。
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与树类似,图的遍历方式也可分为两种,即「广度优先遍历 Breadth-First Traversal」和「深度优先遍历 Depth-First Traversal」,也称为「广度优先搜索 Breadth-First Search」和「深度优先搜索 Depth-First Search」,简称 BFS 和 DFS。
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## 广度优先遍历
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**广度优先遍历优是一种由近及远的遍历方式,从距离最近的顶点开始访问,并一层层向外扩张**。具体地,从某个顶点出发,先遍历该顶点的所有邻接顶点,随后遍历下个顶点的所有邻接顶点,以此类推……
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**广度优先遍历是一种由近及远的遍历方式,从距离最近的顶点开始访问,并一层层向外扩张**。具体来说,从某个顶点出发,先遍历该顶点的所有邻接顶点,然后遍历下一个顶点的所有邻接顶点,以此类推,直至所有顶点访问完毕。
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### 算法实现
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BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,这与 BFS “由近及远”的思想是异曲同工的。
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BFS 通常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,这与 BFS 的“由近及远”的思想异曲同工。
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1. 将遍历起始顶点 `startVet` 加入队列,并开启循环;
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2. 在循环的每轮迭代中,弹出队首顶点弹出并记录访问,并将该顶点的所有邻接顶点加入到队列尾部;
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3. 循环 `2.` ,直到所有顶点访问完成后结束;
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2. 在循环的每轮迭代中,弹出队首顶点并记录访问,然后将该顶点的所有邻接顶点加入到队列尾部;
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3. 循环步骤 `2.` ,直到所有顶点被访问完成后结束;
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为了防止重复遍历顶点,我们需要借助一个哈希表 `visited` 来记录哪些结点已被访问。
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@ -121,23 +121,23 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
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!!! question "广度优先遍历的序列是否唯一?"
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不唯一。广度优先遍历只要求“由近及远”,**而多个相同距离的顶点的遍历顺序允许被任意打乱**。以上图为例,顶点 $1$ , $3$ 的访问顺序可以交换、顶点 $2$ , $4$ , $6$ 的访问顺序也可以任意交换、以此类推……
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不唯一。广度优先遍历只要求按“由近及远”的顺序遍历,**而多个相同距离的顶点的遍历顺序是允许被任意打乱的**。以上图为例,顶点 $1$ , $3$ 的访问顺序可以交换、顶点 $2$ , $4$ , $6$ 的访问顺序也可以任意交换。
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### 复杂度分析
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**时间复杂度:** 所有顶点都会入队、出队一次,使用 $O(|V|)$ 时间;在遍历邻接顶点的过程中,由于是无向图,因此所有边都会被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
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**时间复杂度:** 所有顶点都会入队并出队一次,使用 $O(|V|)$ 时间;在遍历邻接顶点的过程中,由于是无向图,因此所有边都会被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
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**空间复杂度:** 列表 `res` ,哈希表 `visited` ,队列 `que` 中的顶点数量最多为 $|V|$ ,使用 $O(|V|)$ 空间。
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## 深度优先遍历
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**深度优先遍历是一种优先走到底、无路可走再回头的遍历方式**。具体地,从某个顶点出发,不断地访问当前结点的某个邻接顶点,直到走到尽头时回溯,再继续走到底 + 回溯,以此类推……直至所有顶点遍历完成时结束。
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**深度优先遍历是一种优先走到底、无路可走再回头的遍历方式**。具体地,从某个顶点出发,访问当前顶点的某个邻接顶点,直到走到尽头时返回,再继续走到尽头并返回,以此类推,直至所有顶点遍历完成。
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### 算法实现
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这种“走到头 + 回溯”的算法形式一般基于递归来实现。与 BFS 类似,在 DFS 中我们也需要借助一个哈希表 `visited` 来记录已被访问的顶点,以避免重复访问顶点。
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这种“走到尽头 + 回溯”的算法形式通常基于递归来实现。与 BFS 类似,在 DFS 中我们也需要借助一个哈希表 `visited` 来记录已被访问的顶点,以避免重复访问顶点。
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=== "Java"
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@ -219,12 +219,12 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
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[class]{}-[func]{graphDFS}
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```
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深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中
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深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中:
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- **直虚线代表向下递推**,代表开启了一个新的递归方法来访问新顶点;
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- **曲虚线代表向上回溯**,代表此递归方法已经返回,回溯到了开启此递归方法的位置;
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- **直虚线代表向下递推**,表示开启了一个新的递归方法来访问新顶点;
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- **曲虚线代表向上回溯**,表示此递归方法已经返回,回溯到了开启此递归方法的位置;
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为了加深理解,请你将图示与代码结合起来,在脑中(或者用笔画下来)模拟整个 DFS 过程,包括每个递归方法何时开启、何时返回。
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为了加深理解,建议将图示与代码结合起来,在脑中(或者用笔画下来)模拟整个 DFS 过程,包括每个递归方法何时开启、何时返回。
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=== "<1>"
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@ -261,12 +261,12 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
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!!! question "深度优先遍历的序列是否唯一?"
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与广度优先遍历类似,深度优先遍历序列的顺序也不是唯一的。给定某顶点,先往哪个方向探索都行,都是深度优先遍历。
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与广度优先遍历类似,深度优先遍历序列的顺序也不是唯一的。给定某顶点,先往哪个方向探索都可以,即邻接顶点的顺序可以任意打乱,都是深度优先遍历。
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以树的遍历为例,“根 $\rightarrow$ 左 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 右 $\rightarrow$ 根”分别对应前序、中序、后序遍历,体现三种不同的遍历优先级,而三者都属于深度优先遍历。
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以树的遍历为例,“根 $\rightarrow$ 左 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 根 $\rightarrow$ 右”、“左 $\rightarrow$ 右 $\rightarrow$ 根”分别对应前序、中序、后序遍历,它们展示了三种不同的遍历优先级,然而这三者都属于深度优先遍历。
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### 复杂度分析
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**时间复杂度:** 所有顶点都被访问一次;所有边都被访问了 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
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**时间复杂度:** 所有顶点都会被访问 $1$ 次,使用 $O(|V|)$ 时间;所有边都会被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
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**空间复杂度:** 列表 `res` ,哈希表 `visited` 顶点数量最多为 $|V|$ ,递归深度最大为 $|V|$ ,因此使用 $O(|V|)$ 空间。
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@ -1,13 +1,13 @@
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# 小结
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- 图由顶点和边组成,可以表示为一组顶点和一组边构成的集合。
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- 相比线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,也从而更为复杂。
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- 有向图的边存在方向,连通图中的任意顶点都可达,有权图的每条边都包含权重变量。
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- 邻接矩阵使用方阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,使用 $1$ 或 $0$ 来表示两个顶点之间有边或无边。邻接矩阵的增删查操作效率很高,但占用空间大。
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- 邻接表使用多个链表来表示图,第 $i$ 条链表对应顶点 $i$ ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点。邻接表相对邻接矩阵更加节省空间,但由于需要通过遍历链表来查找边,因此时间效率较低。
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- 当邻接表中的链表过长时,可以将其转化为红黑树或哈希表,从而提升查询效率。
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- 从算法思想角度分析,邻接矩阵体现“以空间换时间”,邻接表体现“以时间换空间”
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- 图可以用于建模各类现实系统,例如社交网络、地铁线路等。
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- 图由顶点和边组成,可以被表示为一组顶点和一组边构成的集合。
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- 相较于线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)具有更高的自由度,因而更为复杂。
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- 有向图的边具有方向性,连通图中的任意顶点均可达,有权图的每条边都包含权重变量。
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- 邻接矩阵利用矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,用 $1$ 或 $0$ 表示两个顶点之间有边或无边。邻接矩阵在增删查操作上效率很高,但空间占用较多。
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- 邻接表使用多个链表来表示图,第 $i$ 条链表对应顶点 $i$ ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点。邻接表相对于邻接矩阵更加节省空间,但由于需要遍历链表来查找边,时间效率较低。
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- 当邻接表中的链表过长时,可以将其转换为红黑树或哈希表,从而提升查询效率。
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- 从算法思想角度分析,邻接矩阵体现“以空间换时间”,邻接表体现“以时间换空间”。
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- 图可用于建模各类现实系统,如社交网络、地铁线路等。
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- 树是图的一种特例,树的遍历也是图的遍历的一种特例。
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- 图的广度优先遍历是一种由近及远、层层扩张的搜索方式,常借助队列实现。
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- 图的深度优先遍历是一种优先走到底、无路可走再回头的搜索方式,常基于递归来实现。
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- 图的广度优先遍历是一种由近及远、层层扩张的搜索方式,通常借助队列实现。
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- 图的深度优先遍历是一种优先走到底、无路可走时再回溯的搜索方式,常基于递归来实现。
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