数据结构 学习 图 2025年6月14日 12点57分
搜索算法
深度优先搜索
一种用于遍历或搜索树或图的算法。它沿着树的深度遍历树的节点，尽可能深的搜索树的分支。
DFS核心思想
深度优先：尽可能深地搜索树的分支
回溯思想：当节点v的所在边都已被探寻过，搜索将回溯到发现节点v的那条边的起始节点
递归实现：通常用递归方式自然地实现DFS
void dfs(Node* node, vector<bool>& visited) {// 标记当前节点为已访问visited[node->val] = true;cout << node->val << " ";// 访问所有相邻节点for (Node* neighbor : node->neighbors) {if (!visited[neighbor->val]) {dfs(neighbor, visited);}} }递归实现经典运用
//图的连通分量 int countComponents(int n, vector<vector<int>>& edges) {vector<vector<int>> graph(n);vector<bool> visited(n, false);int components = 0;// 构建邻接表for (auto& edge : edges) {graph[edge[0]].push_back(edge[1]);graph[edge[1]].push_back(edge[0]);}for (int i = 0; i < n; ++i) {if (!visited[i]) {components++;dfs(i, graph, visited);}}return components; }void dfs(int node, vector<vector<int>>& graph, vector<bool>& visited) {visited[node] = true;for (int neighbor : graph[node]) {if (!visited[neighbor]) {dfs(neighbor, graph, visited);}} }DFS是解决许多算法问题的强大工具，掌握其核心思想和各种优化技巧对算法能力提升至关重要。
广度优先搜索
一种用于遍历或搜索树或图的算法。它从根节点开始，先访问所有相邻节点，然后再依次访问这些节点的相邻节点，以此类推。
BFS核心思想
层级遍历：按照距离起始节点的层级依次访问
队列结构：使用队列来存储待访问节点
最短路径：在无权图中能找到最短路径
#include <queue> #include <vector>using namespace std;//标准实现 使用队列 void bfs(Node* start) {if (!start) return;queue<Node*> q;vector<bool> visited(NODES_SIZE, false);q.push(start);visited[start->val] = true;while (!q.empty()) {Node* current = q.front();q.pop();cout << current->val << " "; // 处理当前节点// 访问所有相邻节点for (Node* neighbor : current->neighbors) {if (!visited[neighbor->val]) {visited[neighbor->val] = true;q.push(neighbor);}}} }最短路径（无权图）
int shortestPath(Node* start, Node* end) {if (!start || !end) return -1;if (start == end) return 0;queue<Node*> q;unordered_map<Node*, int> distance;q.push(start);distance[start] = 0;while (!q.empty()) {Node* current = q.front();q.pop();for (Node* neighbor : current->neighbors) {if (!distance.count(neighbor)) {distance[neighbor] = distance[current] + 1;if (neighbor == end) {return distance[neighbor];}q.push(neighbor);}}}return -1; // 不可达 }
注意事项
-
访问标记：必须在入队时标记，而非出队时
-
队列大小：处理层级时需要先保存当前队列大小
-
边界检查：网格类问题注意边界条件
-
状态表示：复杂状态需要设计良好的哈希函数
BFS是解决最短路径问题和层级遍历问题的利器，掌握其核心思想和各种变种对算法能力提升至关重要。
图的概念
有向图 (强连通分量)
强连通分量是有向图中的一个重要概念，指有向图中任意两个顶点都互相可达的最大子图。理解强连通分量对于分析有向图的结构至关重要。
基本概念
1. 强连通分量定义
强连通：在有向图中，如果从顶点u到v有一条路径，且从v到u也有一条路径，则称u和v强连通
强连通分量：有向图的极大强连通子图
2. 相关性质
每个顶点属于且仅属于一个强连通分量
将每个强连通分量缩为一个顶点，得到的有向图是一个有向无环图(DAG)
应用场景：编译器优化、社交网络分析、电路设计等
// Kosaraju算法（两次DFS） 实现 #include <iostream> #include <vector> #include <stack> #include <algorithm>using namespace std;class Graph {int V;vector<vector<int>> adj;vector<vector<int>> revAdj;void fillOrder(int v, vector<bool>& visited, stack<int>& st) {visited[v] = true;for (int u : adj[v]) {if (!visited[u]) {fillOrder(u, visited, st);}}st.push(v);}void DFSUtil(int v, vector<bool>& visited, vector<int>& component) {visited[v] = true;component.push_back(v);for (int u : revAdj[v]) {if (!visited[u]) {DFSUtil(u, visited, component);}}}public:Graph(int V) : V(V), adj(V), revAdj(V) {}void addEdge(int v, int w) {adj[v].push_back(w);revAdj[w].push_back(v);}vector<vector<int>> findSCCs() {stack<int> st;vector<bool> visited(V, false);// 第一次DFS，填充栈for (int i = 0; i < V; i++) {if (!visited[i]) {fillOrder(i, visited, st);}}// 重置visited数组fill(visited.begin(), visited.end(), false);vector<vector<int>> sccs;// 第二次DFS，按照栈的顺序处理逆图while (!st.empty()) {int v = st.top();st.pop();if (!visited[v]) {vector<int> component;DFSUtil(v, visited, component);sccs.push_back(component);}}return sccs;} };// Tarjan算法（一次DFS） #include <iostream> #include <vector> #include <stack> #include <algorithm>using namespace std;class Graph {int V;vector<vector<int>> adj;void tarjanSCCUtil(int u, vector<int>& disc, vector<int>& low, stack<int>& st, vector<bool>& inStack, vector<vector<int>>& sccs, int& time) {disc[u] = low[u] = ++time;st.push(u);inStack[u] = true;for (int v : adj[u]) {if (disc[v] == -1) { // v未被访问tarjanSCCUtil(v, disc, low, st, inStack, sccs, time);low[u] = min(low[u], low[v]);} else if (inStack[v]) { // v在栈中low[u] = min(low[u], disc[v]);}}// 发现强连通分量if (low[u] == disc[u]) {vector<int> component;while (st.top() != u) {int v = st.top();component.push_back(v);inStack[v] = false;st.pop();}component.push_back(u);inStack[u] = false;st.pop();sccs.push_back(component);}}public:Graph(int V) : V(V), adj(V) {}void addEdge(int v, int w) {adj[v].push_back(w);}vector<vector<int>> tarjanSCC() {vector<int> disc(V, -1), low(V, -1);vector<bool> inStack(V, false);stack<int> st;vector<vector<int>> sccs;int time = 0;for (int i = 0; i < V; i++) {if (disc[i] == -1) {tarjanSCCUtil(i, disc, low, st, inStack, sccs, time);}}return sccs;} };实际应用: 有向图的缩点（将SCC缩为单个顶点）
Graph buildCondensedGraph(Graph& g, vector<vector<int>>& sccs) {// 创建顶点映射：原始顶点 -> 缩点后的顶点编号vector<int> vertexToComponent(g.V);for (int i = 0; i < sccs.size(); i++) {for (int v : sccs[i]) {vertexToComponent[v] = i;}}// 构建缩点后的图Graph condensed(sccs.size());unordered_set<string> edges; // 避免重复边for (int u = 0; u < g.V; u++) {for (int v : g.adj[u]) {int compU = vertexToComponent[u];int compV = vertexToComponent[v];if (compU != compV) {string edge = to_string(compU) + "-" + to_string(compV);if (!edges.count(edge)) {condensed.addEdge(compU, compV);edges.insert(edge);}}}}return condensed; }强连通分量分析是图算法中的重要工具，掌握Kosaraju和Tarjan这两种经典算法，能够有效解决许多有向图相关问题。
无向图 (双连通分量)
双连通分量是无向图中的一个重要概念，指没有"关节点"（割点）的最大连通子图。理解双连通分量对于分析网络可靠性、电路设计等问题至关重要。
基本概念
1. 双连通分量定义
关节点（割点）：删除该顶点会增加图的连通分量数量
桥（割边）：删除该边会增加图的连通分量数量
双连通分量：不含关节点的极大连通子图
2. 相关性质
任意两个顶点之间至少存在两条不相交的路径
双连通分量之间通过关节点连接
应用场景：网络容错分析、交通网络规划、电路板设计
// Tarjan算法求双连通分量
#include <iostream>
#include <vector>
#include <stack>
#include <algorithm>using namespace std;class Graph {int V;vector<vector<int>> adj;void BCCUtil(int u, vector<int>& disc, vector<int>& low, stack<pair<int, int>>& st, vector<bool>& isAP,vector<vector<pair<int, int>>>& bccs, int& time, int parent = -1) {int children = 0;disc[u] = low[u] = ++time;for (int v : adj[u]) {if (disc[v] == -1) { // v未被访问children++;st.push({u, v});BCCUtil(v, disc, low, st, isAP, bccs, time, u);low[u] = min(low[u], low[v]);// u是关节点（两种情况）if ((parent == -1 && children > 1) || (parent != -1 && low[v] >= disc[u])) {isAP[u] = true;// 输出双连通分量vector<pair<int, int>> component;while (st.top() != make_pair(u, v)) {component.push_back(st.top());st.pop();}component.push_back(st.top());st.pop();bccs.push_back(component);}} else if (v != parent && disc[v] < disc[u]) { // 处理回边low[u] = min(low[u], disc[v]);st.push({u, v});}}}public:Graph(int V) : V(V), adj(V) {}void addEdge(int v, int w) {adj[v].push_back(w);adj[w].push_back(v);}pair<vector<bool>, vector<vector<pair<int, int>>>> findBCCs() {vector<int> disc(V, -1), low(V, -1);vector<bool> isAP(V, false);stack<pair<int, int>> st;vector<vector<pair<int, int>>> bccs;int time = 0;for (int i = 0; i < V; i++) {if (disc[i] == -1) {BCCUtil(i, disc, low, st, isAP, bccs, time);// 处理剩余边vector<pair<int, int>> component;bool hasEdge = false;while (!st.empty()) {hasEdge = true;component.push_back(st.top());st.pop();}if (hasEdge) {bccs.push_back(component);}}}return {isAP, bccs};}
};//查找桥（割边）算法
vector<pair<int, int>> findBridges(Graph& g) {vector<int> disc(g.V, -1), low(g.V, -1);vector<pair<int, int>> bridges;int time = 0;for (int i = 0; i < g.V; i++) {if (disc[i] == -1) {bridgeUtil(i, -1, disc, low, bridges, time, g);}}return bridges;
}void bridgeUtil(int u, int parent, vector<int>& disc, vector<int>& low,vector<pair<int, int>>& bridges, int& time, Graph& g) {disc[u] = low[u] = ++time;for (int v : g.adj[u]) {if (disc[v] == -1) { // v未被访问bridgeUtil(v, u, disc, low, bridges, time, g);low[u] = min(low[u], low[v]);// 发现桥if (low[v] > disc[u]) {bridges.push_back({u, v});}} else if (v != parent) { // 处理回边low[u] = min(low[u], disc[v]);}}
}无向图的双连通分量分析是图论中的重要工具，掌握Tarjan算法及其变种能够有效解决网络可靠性、关键节点识别等问题。理解算法的核心思想和实现细节对解决实际问题至关重要
回路
欧拉回路
欧拉回路和欧拉路径是图论中的重要概念，分别指图中经过每条边恰好一次并回到起点的回路，和经过每条边恰好一次的路径。
基本概念
1. 定义
-
欧拉回路：图中经过每条边恰好一次并回到起点的闭合路径
-
欧拉路径：图中经过每条边恰好一次的路径（不一定闭合）
-
欧拉图：存在欧拉回路的图
-
半欧拉图：存在欧拉路径但不存在欧拉回路的图
2. 判定条件
对于无向图：
| 类型 | 连通性 | 顶点度数条件 |
|---|---|---|
| 欧拉回路 | 连通 | 所有顶点度数为偶数 |
| 欧拉路径 | 连通 | 恰好两个顶点度数为奇数（起点和终点） |
对于有向图：
| 类型 | 连通性 | 顶点度数条件 |
|---|---|---|
| 欧拉回路 | 强连通 | 每个顶点入度等于出度 |
| 欧拉路径 | 单向连通 | 一个顶点出度=入度+1（起点），一个顶点入度=出度+1（终点），其余入度=出度 |
算法实现
//Hierholzer算法（寻找欧拉回路/路径）
#include <iostream>
#include <vector>
#include <stack>
#include <algorithm>using namespace std;class Graph {int V;vector<vector<int>> adj;public:Graph(int V) : V(V), adj(V) {}void addEdge(int u, int v) {adj[u].push_back(v);}void removeEdge(int u, int v) {auto it = find(adj[u].begin(), adj[u].end(), v);if (it != adj[u].end()) {adj[u].erase(it);}}vector<int> findEulerianCircuit() {vector<int> circuit;stack<int> currPath;int currVertex = 0; // 可以选择任意顶点作为起点currPath.push(currVertex);while (!currPath.empty()) {if (!adj[currVertex].empty()) {currPath.push(currVertex);int nextVertex = adj[currVertex].back();adj[currVertex].pop_back();currVertex = nextVertex;} else {circuit.push_back(currVertex);currVertex = currPath.top();currPath.pop();}}reverse(circuit.begin(), circuit.end());return circuit;}
};欧拉回路和路径在DNA测序、网络路由、物流配送等领域有广泛应用。掌握Hierholzer算法及其实现细节，能够有效解决许多实际问题。理解欧拉图的性质和判定条件是应用这些算法的基础。
哈米尔顿回路
哈密尔顿回路是图论中的一个重要概念，指经过图中每个顶点恰好一次并最终回到起点的闭合路径。与欧拉回路（经过每条边一次）不同，哈密尔顿回路关注的是顶点的遍历。
基本概念
1. 定义
-
哈密尔顿路径：经过图中每个顶点恰好一次的路径
-
哈密尔顿回路：闭合的哈密尔顿路径（起点=终点）
-
哈密尔顿图：包含哈密尔顿回路的图
2. 判定条件
哈密尔顿回路的判定是NP完全问题，没有已知的多项式时间算法。但有一些充分条件和必要条件：
充分条件：
-
Dirac定理：对于n≥3的简单图，若每个顶点度数≥n/2，则是哈密尔顿图
-
Ore定理：对于n≥3的简单图，若任意两个不相邻顶点u,v满足deg(u)+deg(v)≥n，则是哈密尔顿图
必要条件：
-
图必须是连通的
-
没有度数为1的顶点
-
删除任意k个顶点后，剩余子图的连通分量不超过k个
算法实现
//回溯法（基础实现）
#include <iostream>
#include <vector>using namespace std;class Graph {int V;vector<vector<int>> adj;bool hamCycleUtil(vector<int>& path, int pos) {if (pos == V) {// 检查最后一个顶点是否与第一个顶点相连return adj[path[pos-1]][path[0]] == 1;}for (int v = 1; v < V; v++) {if (isSafe(v, path, pos)) {path[pos] = v;if (hamCycleUtil(path, pos+1))return true;path[pos] = -1; // 回溯}}return false;}bool isSafe(int v, vector<int>& path, int pos) {// 检查当前顶点是否与上一个顶点相连if (adj[path[pos-1]][v] == 0)return false;// 检查是否已经包含在路径中for (int i = 0; i < pos; i++)if (path[i] == v)return false;return true;}public:Graph(int V) : V(V), adj(V, vector<int>(V, 0)) {}void addEdge(int u, int v) {adj[u][v] = 1;adj[v][u] = 1;}bool hamCycle() {vector<int> path(V, -1);path[0] = 0; // 从顶点0开始if (!hamCycleUtil(path, 1)) {cout << "不存在哈密尔顿回路" << endl;return false;}printSolution(path);return true;}void printSolution(vector<int>& path) {cout << "哈密尔顿回路: ";for (int i = 0; i < V; i++)cout << path[i] << " ";cout << path[0] << endl;}
};哈密尔顿回路问题在运筹学、电路设计、生物信息学等领域有重要应用。虽然它是NP难问题，但通过合理的算法选择和优化技巧，可以有效地解决中小规模的实际问题。
并查集
并查集是一种树型的数据结构，用于处理一些不相交集合的合并及查询问题。它支持两种基本操作：
-
查找（Find）：确定元素属于哪个子集
-
合并（Union）：将两个子集合并成一个集合
基本概念
1. 核心操作
| 操作 | 功能描述 |
|---|---|
makeSet(x) | 创建仅包含x的新集合 |
find(x) | 返回x所在集合的代表元素 |
union(x, y) | 合并x和y所在的集合 |
2. 关键思想
-
代表元：每个集合选择一个元素作为代表
-
树形结构：用树表示集合，根节点为代表元
-
路径压缩：优化查找操作
-
按秩合并：优化合并操作
//基础实现（带路径压缩和按秩合并）
class DSU {
private:vector<int> parent;vector<int> rank; // 秩(树高度的上界)public:DSU(int n) {parent.resize(n);rank.resize(n, 0);// 初始化每个元素为自己的父节点for (int i = 0; i < n; i++) {parent[i] = i;}}// 查找根节点（带路径压缩）int find(int x) {if (parent[x] != x) {parent[x] = find(parent[x]); // 路径压缩}return parent[x];}// 合并两个集合（按秩合并）void unionSets(int x, int y) {int rootX = find(x);int rootY = find(y);if (rootX == rootY) return; // 已在同一集合// 按秩合并if (rank[rootX] < rank[rootY]) {parent[rootX] = rootY;} else if (rank[rootX] > rank[rootY]) {parent[rootY] = rootX;} else {parent[rootY] = rootX;rank[rootX]++;}}
};并查集是解决动态连通性问题的利器，在社交网络分析、图像处理、网络连接等领域有广泛应用。掌握其核心思想和优化技巧，能够高效解决许多实际问题。