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@@ -1808,7 +1808,7 @@
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<h1 id="91">9.1. 图<a class="headerlink" href="#91" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「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 <span class="arithmatex">\(G\)</span> 抽象地表示为一组顶点 <span class="arithmatex">\(V\)</span> 和一组边 <span class="arithmatex">\(E\)</span> 的集合。例如,以下表示一个包含 5 个顶点和 7 条边的图</p>
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<p>「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 <span class="arithmatex">\(G\)</span> 抽象地表示为一组顶点 <span class="arithmatex">\(V\)</span> 和一组边 <span class="arithmatex">\(E\)</span> 的集合。以下示例展示了一个包含 5 个顶点和 7 条边的图。</p>
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<div class="arithmatex">\[
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\begin{aligned}
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V & = \{ 1, 2, 3, 4, 5 \} \newline
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@@ -1819,17 +1819,17 @@ G & = \{ V, E \} \newline
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<p><img alt="链表、树、图之间的关系" src="../graph.assets/linkedlist_tree_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 链表、树、图之间的关系 </p>
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<p>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。<strong>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</strong>。</p>
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<p>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。<strong>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</strong>。</p>
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<h2 id="911">9.1.1. 图常见类型<a class="headerlink" href="#911" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。</p>
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<p>根据边是否具有方向,可分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。</p>
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<ul>
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<li>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”;</li>
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<li>在有向图中,边是有方向的,即 <span class="arithmatex">\(A \rightarrow B\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(A \leftarrow B\)</span> 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;</li>
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<li>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”;</li>
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<li>在有向图中,边具有方向性,即 <span class="arithmatex">\(A \rightarrow B\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(A \leftarrow B\)</span> 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;</li>
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</ul>
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<p><img alt="有向图与无向图" src="../graph.assets/directed_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 有向图与无向图 </p>
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<p>根据所有顶点是否连通,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。</p>
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<p>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」。</p>
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<ul>
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<li>对于连通图,从某个顶点出发,可以到达其余任意顶点;</li>
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<li>对于非连通图,从某个顶点出发,至少有一个顶点无法到达;</li>
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@@ -1837,40 +1837,40 @@ G & = \{ V, E \} \newline
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<p><img alt="连通图与非连通图" src="../graph.assets/connected_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 连通图与非连通图 </p>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<p><img alt="有权图与无权图" src="../graph.assets/weighted_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 有权图与无权图 </p>
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<h2 id="912">9.1.2. 图常用术语<a class="headerlink" href="#912" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<ul>
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<li>「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 。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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</ul>
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<h2 id="913">9.1.3. 图的表示<a class="headerlink" href="#913" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<h3 id="_1">邻接矩阵<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>设图的顶点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 来表示两个顶点之间有边或无边。</p>
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<p>如下图所示,记邻接矩阵为 <span class="arithmatex">\(M\)</span> 、顶点列表为 <span class="arithmatex">\(V\)</span> ,则矩阵元素 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 1\)</span> 代表着顶点 <span class="arithmatex">\(V[i]\)</span> 到顶点 <span class="arithmatex">\(V[j]\)</span> 之间有边,相反地 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 0\)</span> 代表两顶点之间无边。</p>
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<p>设图的顶点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 表示两个顶点之间是否存在边。</p>
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<p>如下图所示,设邻接矩阵为 <span class="arithmatex">\(M\)</span> 、顶点列表为 <span class="arithmatex">\(V\)</span> ,那么矩阵元素 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 1\)</span> 表示顶点 <span class="arithmatex">\(V[i]\)</span> 到顶点 <span class="arithmatex">\(V[j]\)</span> 之间存在边,反之 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 0\)</span> 表示两顶点之间无边。</p>
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<p><img alt="图的邻接矩阵表示" src="../graph.assets/adjacency_matrix.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的邻接矩阵表示 </p>
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<p>邻接矩阵具有以下性质:</p>
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<p>邻接矩阵具有以下特性:</p>
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<ul>
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<li>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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>将邻接矩阵的元素从 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(0\)</span> 替换为权重,则能够表示「有权图」。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>将邻接矩阵的元素从 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(0\)</span> 替换为权重,则可表示有权图。</li>
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</ul>
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<p>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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。然而,矩阵的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,内存占用较大。</p>
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<p>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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。然而,矩阵的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,内存占用较多。</p>
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<h3 id="_2">邻接表<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>「邻接表 Adjacency List」使用 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个链表来表示图,链表结点表示顶点。第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 条链表对应顶点 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点(即与该顶点相连的顶点)。</p>
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<p><img alt="图的邻接表表示" src="../graph.assets/adjacency_list.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的邻接表表示 </p>
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<p>邻接表仅存储存在的边,而边的总数往往远小于 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> ,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。</p>
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<p>观察上图发现,<strong>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</strong>。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 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> ,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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<p>邻接表仅存储实际存在的边,而边的总数通常远小于 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> ,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。</p>
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<p>观察上图可发现,<strong>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</strong>。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 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> ,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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<h2 id="914">9.1.4. 图常见应用<a class="headerlink" href="#914" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<div class="center-table">
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<table>
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<thead>
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@@ -1754,11 +1754,11 @@
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<h1 id="92">9.2. 图基础操作<a class="headerlink" href="#92" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<h2 id="921">9.2.1. 基于邻接矩阵的实现<a class="headerlink" href="#921" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>设图的顶点总数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,则有:</p>
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<p>给定一个顶点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的无向图,则有:</p>
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<ul>
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<li><strong>添加或删除边</strong>:直接在邻接矩阵中修改指定边的对应元素即可,使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。而由于是无向图,因此需要同时更新两个方向的边。</li>
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<li><strong>添加或删除边</strong>:直接在邻接矩阵中修改指定的边即可,使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。而由于是无向图,因此需要同时更新两个方向的边。</li>
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<li><strong>添加顶点</strong>:在邻接矩阵的尾部添加一行一列,并全部填 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 即可,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>删除顶点</strong>: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 <span class="arithmatex">\((n-1)^2\)</span> 个元素“向左上移动”,从而使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>初始化</strong>:传入 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个顶点,初始化长度为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 的顶点列表 <code>vertices</code> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 时间;初始化 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 大小的邻接矩阵 <code>adjMat</code> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> 时间。</li>
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@@ -2510,13 +2510,13 @@
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</div>
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</div>
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<h2 id="922">9.2.2. 基于邻接表的实现<a class="headerlink" href="#922" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>设图的顶点总数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 、边总数为 <span class="arithmatex">\(m\)</span> ,则有:</p>
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<p>设无向图的顶点总数为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 、边总数为 <span class="arithmatex">\(m\)</span> ,则有:</p>
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<ul>
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<li><strong>添加边</strong>:在顶点对应链表的尾部添加边即可,使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。因为是无向图,所以需要同时添加两个方向的边。</li>
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<li><strong>删除边</strong>:在顶点对应链表中查询与删除指定边,使用 <span class="arithmatex">\(O(m)\)</span> 时间。与添加边一样,需要同时删除两个方向的边。</li>
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<li><strong>添加顶点</strong>: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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>删除顶点</strong>:需要遍历整个邻接表,删除包含指定顶点的所有边,使用 <span class="arithmatex">\(O(n + m)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>初始化</strong>:需要在邻接表中建立 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个结点和 <span class="arithmatex">\(2m\)</span> 条边,使用 <span class="arithmatex">\(O(n + m)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>添加边</strong>:在顶点对应链表的末尾添加边即可,使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。因为是无向图,所以需要同时添加两个方向的边。</li>
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<li><strong>删除边</strong>:在顶点对应链表中查找并删除指定边,使用 <span class="arithmatex">\(O(m)\)</span> 时间。在无向图中,需要同时删除两个方向的边。</li>
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<li><strong>添加顶点</strong>: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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>删除顶点</strong>:需遍历整个邻接表,删除包含指定顶点的所有边,使用 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间。</li>
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<li><strong>初始化</strong>:在邻接表中创建 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个顶点和 <span class="arithmatex">\(2m\)</span> 条边,使用 <span class="arithmatex">\(O(n + m)\)</span> 时间。</li>
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</ul>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:5"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">初始化邻接表</label><label for="__tabbed_3_2">添加边</label><label for="__tabbed_3_3">删除边</label><label for="__tabbed_3_4">添加顶点</label><label for="__tabbed_3_5">删除顶点</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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@@ -2537,10 +2537,10 @@
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</div>
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</div>
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</div>
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<p>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,<strong>我们在邻接表中使用 <code>Vertex</code> 结点类来表示顶点</strong>,这样做的原因是:</p>
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<p>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,<strong>我们在邻接表中使用 <code>Vertex</code> 结点类来表示顶点</strong>,这样做的原因有:</p>
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<ul>
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<li>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。</li>
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<li>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 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 <span class="arithmatex">\(> i\)</span> 的索引全部执行 <span class="arithmatex">\(-1\)</span> ,这样操作效率太低。</li>
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<li>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 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 的顶点,则需要遍历整个邻接表,将其中 <span class="arithmatex">\(> i\)</span> 的索引全部减 <span class="arithmatex">\(1\)</span>,这样操作效率较低。</li>
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<li>因此我们考虑引入顶点类 <code>Vertex</code> ,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。</li>
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</ul>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:10"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_6" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_7" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_8" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_9" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_10" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">Java</label><label for="__tabbed_4_2">C++</label><label for="__tabbed_4_3">Python</label><label for="__tabbed_4_4">Go</label><label for="__tabbed_4_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_4_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_4_7">C</label><label for="__tabbed_4_8">C#</label><label for="__tabbed_4_9">Swift</label><label for="__tabbed_4_10">Zig</label></div>
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@@ -3228,7 +3228,7 @@
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</tbody>
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</table>
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</div>
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<p>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,<strong>邻接矩阵体现“以空间换时间”,邻接表体现“以时间换空间”</strong>。</p>
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<p>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。</p>
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@@ -1822,21 +1822,21 @@
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<h1 id="93">9.3. 图的遍历<a class="headerlink" href="#93" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<div class="admonition note">
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<p class="admonition-title">图与树的关系</p>
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<p>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,<strong>可以把树看作是图的一类特例</strong>。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。</p>
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<p>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,<strong>树的遍历操作也是图的遍历操作的一种特例</strong>,建议你在学习本章节时融会贯通两者的概念与实现方法。</p>
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</div>
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<p>「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。</p>
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<p>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 。</p>
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<p>「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。</p>
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<p>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。</p>
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<h2 id="931">9.3.1. 广度优先遍历<a class="headerlink" href="#931" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p><strong>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</strong>。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……</p>
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<p><strong>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</strong>。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。</p>
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<p><img alt="图的广度优先遍历" src="../graph_traversal.assets/graph_bfs.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的广度优先遍历 </p>
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<h3 id="_1">算法实现<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<ol>
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<li>将遍历起始顶点 <code>startVet</code> 加入队列,并开启循环;</li>
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<li>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;</li>
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<li>循环 <code>2.</code> ,直到所有顶点访问完成后结束;</li>
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<li>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;</li>
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<li>循环步骤 <code>2.</code> ,直到所有顶点被访问完成后结束;</li>
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</ol>
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<p>为了防止重复遍历顶点,我们需要借助一个哈希表 <code>visited</code> 来记录哪些结点已被访问。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="1:10"><input checked="checked" id="__tabbed_1_1" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_2" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_3" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_4" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_5" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_6" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_7" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_8" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_9" name="__tabbed_1" type="radio" /><input id="__tabbed_1_10" name="__tabbed_1" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_1_1">Java</label><label for="__tabbed_1_2">C++</label><label for="__tabbed_1_3">Python</label><label for="__tabbed_1_4">Go</label><label for="__tabbed_1_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_1_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_1_7">C</label><label for="__tabbed_1_8">C#</label><label for="__tabbed_1_9">Swift</label><label for="__tabbed_1_10">Zig</label></div>
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@@ -2095,18 +2095,18 @@
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</div>
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<div class="admonition question">
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<p class="admonition-title">广度优先遍历的序列是否唯一?</p>
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<p>不唯一。广度优先遍历只要求“由近及远”,<strong>而多个相同距离的顶点的遍历顺序允许被任意打乱</strong>。以上图为例,顶点 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的访问顺序可以交换、顶点 <span class="arithmatex">\(2\)</span> , <span class="arithmatex">\(4\)</span> , <span class="arithmatex">\(6\)</span> 的访问顺序也可以任意交换、以此类推……</p>
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<p>不唯一。广度优先遍历只要求按“由近及远”的顺序遍历,<strong>而多个相同距离的顶点的遍历顺序是允许被任意打乱的</strong>。以上图为例,顶点 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(3\)</span> 的访问顺序可以交换、顶点 <span class="arithmatex">\(2\)</span> , <span class="arithmatex">\(4\)</span> , <span class="arithmatex">\(6\)</span> 的访问顺序也可以任意交换。</p>
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</div>
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<h3 id="_2">复杂度分析<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p><strong>时间复杂度:</strong> 所有顶点都会入队、出队一次,使用 <span class="arithmatex">\(O(|V|)\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 次,使用 <span class="arithmatex">\(O(2|E|)\)</span> 时间;总体使用 <span class="arithmatex">\(O(|V| + |E|)\)</span> 时间。</p>
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<p><strong>时间复杂度:</strong> 所有顶点都会入队并出队一次,使用 <span class="arithmatex">\(O(|V|)\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 次,使用 <span class="arithmatex">\(O(2|E|)\)</span> 时间;总体使用 <span class="arithmatex">\(O(|V| + |E|)\)</span> 时间。</p>
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<p><strong>空间复杂度:</strong> 列表 <code>res</code> ,哈希表 <code>visited</code> ,队列 <code>que</code> 中的顶点数量最多为 <span class="arithmatex">\(|V|\)</span> ,使用 <span class="arithmatex">\(O(|V|)\)</span> 空间。</p>
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<h2 id="932">9.3.2. 深度优先遍历<a class="headerlink" href="#932" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p><strong>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</strong>。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。</p>
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<p><strong>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</strong>。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。</p>
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<p><img alt="图的深度优先遍历" src="../graph_traversal.assets/graph_dfs.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的深度优先遍历 </p>
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<h3 id="_3">算法实现<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>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 <code>visited</code> 来记录已被访问的顶点,以避免重复访问顶点。</p>
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<p>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 <code>visited</code> 来记录已被访问的顶点,以避免重复访问顶点。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:10"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JavaScript</label><label for="__tabbed_3_6">TypeScript</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -2314,12 +2314,12 @@
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</div>
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</div>
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</div>
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<p>深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中</p>
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<p>深度优先遍历的算法流程如下图所示,其中:</p>
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<ul>
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<li><strong>直虚线代表向下递推</strong>,代表开启了一个新的递归方法来访问新顶点;</li>
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<li><strong>曲虚线代表向上回溯</strong>,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;</li>
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<li><strong>直虚线代表向下递推</strong>,表示开启了一个新的递归方法来访问新顶点;</li>
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<li><strong>曲虚线代表向上回溯</strong>,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;</li>
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</ul>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:11"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_6" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_7" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_8" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_9" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_10" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_11" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1"><1></label><label for="__tabbed_4_2"><2></label><label for="__tabbed_4_3"><3></label><label for="__tabbed_4_4"><4></label><label for="__tabbed_4_5"><5></label><label for="__tabbed_4_6"><6></label><label for="__tabbed_4_7"><7></label><label for="__tabbed_4_8"><8></label><label for="__tabbed_4_9"><9></label><label for="__tabbed_4_10"><10></label><label for="__tabbed_4_11"><11></label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -2359,11 +2359,11 @@
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</div>
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<div class="admonition question">
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<p class="admonition-title">深度优先遍历的序列是否唯一?</p>
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<p>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。</p>
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<p>以树的遍历为例,“根 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右”、“左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 根 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右”、“左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>以树的遍历为例,“根 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右”、“左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 根 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右”、“左 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 右 <span class="arithmatex">\(\rightarrow\)</span> 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。</p>
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</div>
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<h3 id="_4">复杂度分析<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p><strong>时间复杂度:</strong> 所有顶点都被访问一次;所有边都被访问了 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 次,使用 <span class="arithmatex">\(O(2|E|)\)</span> 时间;总体使用 <span class="arithmatex">\(O(|V| + |E|)\)</span> 时间。</p>
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<p><strong>时间复杂度:</strong> 所有顶点都会被访问 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 次,使用 <span class="arithmatex">\(O(|V|)\)</span> 时间;所有边都会被访问 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 次,使用 <span class="arithmatex">\(O(2|E|)\)</span> 时间;总体使用 <span class="arithmatex">\(O(|V| + |E|)\)</span> 时间。</p>
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<p><strong>空间复杂度:</strong> 列表 <code>res</code> ,哈希表 <code>visited</code> 顶点数量最多为 <span class="arithmatex">\(|V|\)</span> ,递归深度最大为 <span class="arithmatex">\(|V|\)</span> ,因此使用 <span class="arithmatex">\(O(|V|)\)</span> 空间。</p>
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@@ -1681,17 +1681,17 @@
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<h1 id="94">9.4. 小结<a class="headerlink" href="#94" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 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。</li>
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<li>邻接表使用多个链表来表示图,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 条链表对应顶点 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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”</li>
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<li>图可以用于建模各类现实系统,例如社交网络、地铁线路等。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 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。</li>
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<li>邻接表使用多个链表来表示图,第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 条链表对应顶点 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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”。</li>
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<li>图可用于建模各类现实系统,如社交网络、地铁线路等。</li>
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<li>树是图的一种特例,树的遍历也是图的遍历的一种特例。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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<li>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。</li>
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</ul>
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