Polish the chapter of graph, hashing, appendix

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2023-04-09 03:09:06 +08:00
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@@ -2,25 +2,25 @@
!!! note "图与树的关系"
树代表的是“一对多”的关系,而图则自由度更高,可以表任意“多对多”关系。本质上,**可以把树看作是图的一特例**。那么显然,树遍历操作也是图遍历操作的一特例,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
树代表的是“一对多”的关系,而图则具有更高的自由度,可以表任意“多对多”关系。因此,我们可以把树看作是图的一特例。显然,**树的遍历操作也是图遍历操作的一特例**,建议你在学习本章节时融会贯通两者的概念与实现方法
「图」「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。
「图」「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。
类似,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 BFS 和 DFS
与树类似,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 Traversal」,也称「广度优先搜索 Breadth-First Search」和「深度优先搜索 Depth-First Search」,简称 BFS 和 DFS。
## 广度优先遍历
**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,从某个顶点出发,先遍历该顶点的所有邻接顶点,后遍历下个顶点的所有邻接顶点,以此类推……
**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,后遍历下个顶点的所有邻接顶点,以此类推,直至所有顶点访问完毕。
![图的广度优先遍历](graph_traversal.assets/graph_bfs.png)
### 算法实现
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”的思想异曲同工
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”的思想异曲同工。
1. 将遍历起始顶点 `startVet` 加入队列,并开启循环;
2. 在循环的每轮迭代中,弹出队首顶点弹出并记录访问,将该顶点的所有邻接顶点加入到队列尾部;
3. 循环 `2.` ,直到所有顶点访问完成后结束;
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;
3. 循环步骤 `2.` ,直到所有顶点访问完成后结束;
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。
@@ -121,23 +121,23 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
!!! question "广度优先遍历的序列是否唯一?"
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……
不唯一。广度优先遍历只要求“由近及远”的顺序遍历**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
### 复杂度分析
**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。
**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。
**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。
## 深度优先遍历
**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,不断地访问当前点的某个邻接顶点,直到走到尽头时回,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
**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,访问当前点的某个邻接顶点,直到走到尽头时回,再继续走到尽头并返回,以此类推直至所有顶点遍历完成。
![图的深度优先遍历](graph_traversal.assets/graph_dfs.png)
### 算法实现
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。
这种“走到头 + 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。
=== "Java"
@@ -219,12 +219,12 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
[class]{}-[func]{graphDFS}
```
深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中
深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中
- **直虚线代表向下递推**表开启了一个新的递归方法来访问新顶点;
- **曲虚线代表向上回溯**表此递归方法已经返回,回溯到了开启此递归方法的位置;
- **直虚线代表向下递推**,表开启了一个新的递归方法来访问新顶点;
- **曲虚线代表向上回溯**,表此递归方法已经返回,回溯到了开启此递归方法的位置;
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。
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。
=== "<1>"
![图的深度优先遍历步骤](graph_traversal.assets/graph_dfs_step1.png)
@@ -261,12 +261,12 @@ BFS 常借助「队列」来实现。队列具有“先入先出”的性质,
!!! question "深度优先遍历的序列是否唯一?"
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,都是深度优先遍历。
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。
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,三者都属于深度优先遍历。
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。
### 复杂度分析
**时间复杂度:** 所有顶点都被访问一次;所有边都被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
**时间复杂度:** 所有顶点都被访问 $1$ 次,使用 $O(|V|)$ 时间;所有边都被访问 $2$ 次,使用 $O(2|E|)$ 时间;总体使用 $O(|V| + |E|)$ 时间。
**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。