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Co-authored-by: krahets <krahets@163.com>

ja/codes/java/chapter_graph/graph_adjacency_list.java

@@ -0,0 +1,117 @@
+/**
+ * File: graph_adjacency_list.java
+ * Created Time: 2023-01-26
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_graph;
+
+import java.util.*;
+import utils.*;
+
+/* 隣接リストに基づく無向グラフクラス */
+class GraphAdjList {
+    // 隣接リスト、キー: 頂点、値: その頂点のすべての隣接頂点
+    Map<Vertex, List<Vertex>> adjList;
+
+    /* コンストラクタ */
+    public GraphAdjList(Vertex[][] edges) {
+        this.adjList = new HashMap<>();
+        // すべての頂点と辺を追加
+        for (Vertex[] edge : edges) {
+            addVertex(edge[0]);
+            addVertex(edge[1]);
+            addEdge(edge[0], edge[1]);
+        }
+    }
+
+    /* 頂点数を取得 */
+    public int size() {
+        return adjList.size();
+    }
+
+    /* 辺を追加 */
+    public void addEdge(Vertex vet1, Vertex vet2) {
+        if (!adjList.containsKey(vet1) || !adjList.containsKey(vet2) || vet1 == vet2)
+            throw new IllegalArgumentException();
+        // 辺 vet1 - vet2 を追加
+        adjList.get(vet1).add(vet2);
+        adjList.get(vet2).add(vet1);
+    }
+
+    /* 辺を削除 */
+    public void removeEdge(Vertex vet1, Vertex vet2) {
+        if (!adjList.containsKey(vet1) || !adjList.containsKey(vet2) || vet1 == vet2)
+            throw new IllegalArgumentException();
+        // 辺 vet1 - vet2 を削除
+        adjList.get(vet1).remove(vet2);
+        adjList.get(vet2).remove(vet1);
+    }
+
+    /* 頂点を追加 */
+    public void addVertex(Vertex vet) {
+        if (adjList.containsKey(vet))
+            return;
+        // 隣接リストに新しい連結リストを追加
+        adjList.put(vet, new ArrayList<>());
+    }
+
+    /* 頂点を削除 */
+    public void removeVertex(Vertex vet) {
+        if (!adjList.containsKey(vet))
+            throw new IllegalArgumentException();
+        // 隣接リストから頂点 vet に対応する連結リストを削除
+        adjList.remove(vet);
+        // 他の頂点の連結リストを走査し、vet を含むすべての辺を削除
+        for (List<Vertex> list : adjList.values()) {
+            list.remove(vet);
+        }
+    }
+
+    /* 隣接リストを出力 */
+    public void print() {
+        System.out.println("隣接リスト =");
+        for (Map.Entry<Vertex, List<Vertex>> pair : adjList.entrySet()) {
+            List<Integer> tmp = new ArrayList<>();
+            for (Vertex vertex : pair.getValue())
+                tmp.add(vertex.val);
+            System.out.println(pair.getKey().val + ": " + tmp + ",");
+        }
+    }
+}
+
+public class graph_adjacency_list {
+    public static void main(String[] args) {
+        /* 無向グラフを初期化 */
+        Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 1, 3, 2, 5, 4 });
+        Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] },
+                             { v[2], v[3] }, { v[2], v[4] }, { v[3], v[4] } };
+        GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
+        System.out.println("\n初期化後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 辺を追加 */
+        // 頂点 1、2、すなわち v[0]、v[2]
+        graph.addEdge(v[0], v[2]);
+        System.out.println("\n辺 1-2 を追加後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 辺を削除 */
+        // 頂点 1、3、すなわち v[0]、v[1]
+        graph.removeEdge(v[0], v[1]);
+        System.out.println("\n辺 1-3 を削除後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 頂点を追加 */
+        Vertex v5 = new Vertex(6);
+        graph.addVertex(v5);
+        System.out.println("\n頂点 6 を追加後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 頂点を削除 */
+        // 頂点 3、すなわち v[1]
+        graph.removeVertex(v[1]);
+        System.out.println("\n頂点 3 を削除後、グラフは");
+        graph.print();
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_graph/graph_adjacency_matrix.java

@@ -0,0 +1,131 @@
+/**
+ * File: graph_adjacency_matrix.java
+ * Created Time: 2023-01-26
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_graph;
+
+import utils.*;
+import java.util.*;
+
+/* 隣接行列に基づく無向グラフクラス */
+class GraphAdjMat {
+    List<Integer> vertices; // 頂点リスト、要素は「頂点値」を表し、インデックスは「頂点インデックス」を表す
+    List<List<Integer>> adjMat; // 隣接行列、行と列のインデックスは「頂点インデックス」に対応
+
+    /* コンストラクタ */
+    public GraphAdjMat(int[] vertices, int[][] edges) {
+        this.vertices = new ArrayList<>();
+        this.adjMat = new ArrayList<>();
+        // 頂点を追加
+        for (int val : vertices) {
+            addVertex(val);
+        }
+        // 辺を追加
+        // 辺の要素は頂点インデックスを表す
+        for (int[] e : edges) {
+            addEdge(e[0], e[1]);
+        }
+    }
+
+    /* 頂点数を取得 */
+    public int size() {
+        return vertices.size();
+    }
+
+    /* 頂点を追加 */
+    public void addVertex(int val) {
+        int n = size();
+        // 頂点リストに新しい頂点値を追加
+        vertices.add(val);
+        // 隣接行列に行を追加
+        List<Integer> newRow = new ArrayList<>(n);
+        for (int j = 0; j < n; j++) {
+            newRow.add(0);
+        }
+        adjMat.add(newRow);
+        // 隣接行列に列を追加
+        for (List<Integer> row : adjMat) {
+            row.add(0);
+        }
+    }
+
+    /* 頂点を削除 */
+    public void removeVertex(int index) {
+        if (index >= size())
+            throw new IndexOutOfBoundsException();
+        // 頂点リストから `index` の頂点を削除
+        vertices.remove(index);
+        // 隣接行列から `index` の行を削除
+        adjMat.remove(index);
+        // 隣接行列から `index` の列を削除
+        for (List<Integer> row : adjMat) {
+            row.remove(index);
+        }
+    }
+
+    /* 辺を追加 */
+    // パラメータ i、j は頂点要素のインデックスに対応
+    public void addEdge(int i, int j) {
+        // インデックスの範囲外と等価性を処理
+        if (i < 0 || j < 0 || i >= size() || j >= size() || i == j)
+            throw new IndexOutOfBoundsException();
+        // 無向グラフでは、隣接行列は主対角線について対称、すなわち (i, j) == (j, i) を満たす
+        adjMat.get(i).set(j, 1);
+        adjMat.get(j).set(i, 1);
+    }
+
+    /* 辺を削除 */
+    // パラメータ i、j は頂点要素のインデックスに対応
+    public void removeEdge(int i, int j) {
+        // インデックスの範囲外と等価性を処理
+        if (i < 0 || j < 0 || i >= size() || j >= size() || i == j)
+            throw new IndexOutOfBoundsException();
+        adjMat.get(i).set(j, 0);
+        adjMat.get(j).set(i, 0);
+    }
+
+    /* 隣接行列を出力 */
+    public void print() {
+        System.out.print("頂点リスト = ");
+        System.out.println(vertices);
+        System.out.println("隣接行列 =");
+        PrintUtil.printMatrix(adjMat);
+    }
+}
+
+public class graph_adjacency_matrix {
+    public static void main(String[] args) {
+        /* 無向グラフを初期化 */
+        // 辺の要素は頂点インデックスを表す
+        int[] vertices = { 1, 3, 2, 5, 4 };
+        int[][] edges = { { 0, 1 }, { 0, 3 }, { 1, 2 }, { 2, 3 }, { 2, 4 }, { 3, 4 } };
+        GraphAdjMat graph = new GraphAdjMat(vertices, edges);
+        System.out.println("\n初期化後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 辺を追加 */
+        // 頂点 1、2 のインデックスはそれぞれ 0、2
+        graph.addEdge(0, 2);
+        System.out.println("\n辺 1-2 を追加後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 辺を削除 */
+        // 頂点 1、3 のインデックスはそれぞれ 0、1
+        graph.removeEdge(0, 1);
+        System.out.println("\n辺 1-3 を削除後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 頂点を追加 */
+        graph.addVertex(6);
+        System.out.println("\n頂点 6 を追加後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 頂点を削除 */
+        // 頂点 3 のインデックスは 1
+        graph.removeVertex(1);
+        System.out.println("\n頂点 3 を削除後、グラフは");
+        graph.print();
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_graph/graph_bfs.java

@@ -0,0 +1,55 @@
+/**
+ * File: graph_bfs.java
+ * Created Time: 2023-02-12
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_graph;
+
+import java.util.*;
+import utils.*;
+
+public class graph_bfs {
+    /* 幅優先走査 */
+    // 隣接リストを使用してグラフを表現し、指定した頂点のすべての隣接頂点を取得
+    static List<Vertex> graphBFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
+        // 頂点走査順序
+        List<Vertex> res = new ArrayList<>();
+        // ハッシュセット、訪問済みの頂点を記録するために使用
+        Set<Vertex> visited = new HashSet<>();
+        visited.add(startVet);
+        // BFS を実装するために使用するキュー
+        Queue<Vertex> que = new LinkedList<>();
+        que.offer(startVet);
+        // 頂点 vet から開始し、すべての頂点が訪問されるまでループ
+        while (!que.isEmpty()) {
+            Vertex vet = que.poll(); // キューの先頭の頂点をデキュー
+            res.add(vet);            // 訪問した頂点を記録
+            // その頂点のすべての隣接頂点を走査
+            for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
+                if (visited.contains(adjVet))
+                    continue;        // すでに訪問済みの頂点をスキップ
+                que.offer(adjVet);   // 未訪問の頂点のみをエンキュー
+                visited.add(adjVet); // 頂点を訪問済みとしてマーク
+            }
+        }
+        // 頂点走査順序を返す
+        return res;
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        /* 無向グラフを初期化 */
+        Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 });
+        Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] }, { v[1], v[4] },
+                             { v[2], v[5] }, { v[3], v[4] }, { v[3], v[6] }, { v[4], v[5] },
+                             { v[4], v[7] }, { v[5], v[8] }, { v[6], v[7] }, { v[7], v[8] } };
+        GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
+        System.out.println("\n初期化後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 幅優先走査 */
+        List<Vertex> res = graphBFS(graph, v[0]);
+        System.out.println("\n幅優先走査 (BFS) の頂点順序は");
+        System.out.println(Vertex.vetsToVals(res));
+    }
+}

ja/codes/java/chapter_graph/graph_dfs.java

@@ -0,0 +1,51 @@
+/**
+ * File: graph_dfs.java
+ * Created Time: 2023-02-12
+ * Author: krahets (krahets@163.com)
+ */
+
+package chapter_graph;
+
+import java.util.*;
+import utils.*;
+
+public class graph_dfs {
+    /* 深さ優先走査の補助関数 */
+    static void dfs(GraphAdjList graph, Set<Vertex> visited, List<Vertex> res, Vertex vet) {
+        res.add(vet);     // 訪問した頂点を記録
+        visited.add(vet); // 頂点を訪問済みとしてマーク
+        // その頂点のすべての隣接頂点を走査
+        for (Vertex adjVet : graph.adjList.get(vet)) {
+            if (visited.contains(adjVet))
+                continue; // すでに訪問済みの頂点をスキップ
+            // 隣接頂点を再帰的に訪問
+            dfs(graph, visited, res, adjVet);
+        }
+    }
+
+    /* 深さ優先走査 */
+    // 隣接リストを使用してグラフを表現し、指定した頂点のすべての隣接頂点を取得
+    static List<Vertex> graphDFS(GraphAdjList graph, Vertex startVet) {
+        // 頂点走査順序
+        List<Vertex> res = new ArrayList<>();
+        // ハッシュセット、訪問済みの頂点を記録するために使用
+        Set<Vertex> visited = new HashSet<>();
+        dfs(graph, visited, res, startVet);
+        return res;
+    }
+
+    public static void main(String[] args) {
+        /* 無向グラフを初期化 */
+        Vertex[] v = Vertex.valsToVets(new int[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 });
+        Vertex[][] edges = { { v[0], v[1] }, { v[0], v[3] }, { v[1], v[2] },
+                             { v[2], v[5] }, { v[4], v[5] }, { v[5], v[6] } };
+        GraphAdjList graph = new GraphAdjList(edges);
+        System.out.println("\n初期化後、グラフは");
+        graph.print();
+
+        /* 深さ優先走査 */
+        List<Vertex> res = graphDFS(graph, v[0]);
+        System.out.println("\n深さ優先走査 (DFS) の頂点順序は");
+        System.out.println(Vertex.vetsToVals(res));
+    }
+}