图

一些概念

一个图（一般记作{\displaystyle G}G）由两类元素构成，分别称为顶点（或节点、结点）和边。每条边有两个顶点作为其端点，我们称这条边“连接”了它的两个端点

分类

• 有向图与无向图
• 有权图与无权图

表示方法

邻接矩阵

boolean[][] g;
// n代表顶点的数量，v代表边的数量
int n, m;
// 判断两个顶点是否存在边
boolean hasEdge(int v, int w) {
    return g[v][w];
}
// 给两个顶点增加一条边
void addEdge(int v, int w) {
    if (hasEdge(v, w)) {
        return;
    }
    g[v][w] = true;
    if (!directed) {
        g[w][v] = true;
    }
    m++;
}
// 

邻接表

List<List<Integer>> g;
void addEdge(int v, int w) {
    g.get(v).add(w);
    if (!directed && v != w) {
        g.get(w).add(v);
    }
    m++;
}
boolean hasEdge(int v, int w) {
    for (int i = 0; i < g.get(v).size(); i++) {
        if (g.get(v).get(i).equals(w)) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

邻接表适合表示稀疏的图，邻接矩阵适合表示稠密的图

边表

节点	连接该节点的节点
A	B
A	C
C	D
D	B

搜索

两个算法的不同之处只在于获取下一个节点的方式不一样

• 广度优先下一个节点是最早加入的节点
• 深度优先下一个节点是最晚加入的节点

在搜索空间很大，但已知搜索路径不会特别长的情况下，DFS 可能会比 BFS 要慢很多，但如果要通过搜索算法求最短路径，只能选择BFS

两者的时间复杂度都是O(顶点数)，深度优先虽然没有广度优先使用一个显式的queue来存储节点，但是其最深的函数调用栈就是描述一条经过了所有节点的路径

深度优先

从一个点开始 如果这个点没有被访问过 则选择该点的某个连接点进行深度优先搜索 直到所有能访问的顶点都被访问过

for (int i = 0; i < graph.V(); i++) {
    // 对每个节点进行深度优先遍历
    if (!visited[i]) {
        dfs(i);
    }
}
void dfs(int v) {
    visited[v] = true;
    id[v] = count;
    // 对传进来的节点所连接的节点再进行DFS
    GraphIterator iterator = graph.iterator(v);
    for (int i = iterator.begin(); !iterator.end(); i = iterator.next()) {
        if (!visited[i]) {
            dfs(i);
        }
    }
}

从起点出发递归遍历图，通过结果集判重，保证重复的节点不会被递归两次，从而每条边只会被遍历一次，整体时间复杂度为 O(边数)

广度优先

从一个点开始 逐个遍历与该点连接的所有顶点 在遍历某节点时 将该节点的所有连接点入队，队列 FIFO 的特性保证了，下一层的元素一定会比上层的元素更晚出现 每次进行广度搜索的节点就从队列里面拿

所有顶点入队一次、出队一次，每条边都会在边起点出队的时候被遍历一次，所以整体的时间复杂度为 O(顶点数+边数)

连通分量

无向图G的极大连通子图称为G的连通分量

有向图

表示

同样也是使用邻接表表示

可达性

DFS 与　BFS　同样适用于有向图

环

• 拓扑排序

将所有顶点排序，使得所有的有向边均从排在前面的元素指向后面的元素，在有循环依赖的图中，是没法进行拓扑排序的

Khan 算法

• 基于BFS

先把没有其他节点连接的节点加入可达节点，然后从剩下的节点中选出可以从可达节点到达的节点，按这样的顺序反复进行

基于DFS

优先找出没有后继节点的节点，把它作为最终节点

强连通性

如果两个顶点互相可达，则称它们是强连通的

有权图

表示

• 邻接表

• 邻接表

一副连通加权无向图中一棵权值最小的生成树

最小生成树

• 贪心算法

找到最小生成树的一条边，不断重复，直到找到所有最小生成树的所有边

Prim算法

每次将一个与树节点连接但不在树中且权值最小的边加入树，直至边数达到节点数-1

kruskal算法

每次将权值最小的且不会构成环的边加入生成树，直至边数达到节点数-1

• 如何判断环

当边加入之后，使用union find判断从某一节点是否连接它自己，如果是，则就是有环

最短路径

找到从一个顶点到另一个顶点成本最小的路径

Dijkstra算法

用来求解单源最短路径

• 前提：图中不能存在负权边

引入了一种叫做最短路径树的构造方法。基于贪心的思想逐步找出距源点 s 最近、次近的点，就能得到一个 G 的子图，里面包含了 s 及所有从 s 出发能到达的节点，它们以 s 为根一起构成了一颗树，就是最短路径树