《图论基础知识》PPT课件.ppt

常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识 二、无向图的传递闭包问题 三、生成树与最小生成树问题 四、最短路径问题 五、拓扑排序与关键路径 六、图论模型的建立 七、匹配 八、最大流,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,1、回顾三种数据结构模型：线性表、树、图,2、图的基本概念：,图=（顶点集，边集），顶点集必须非空，什么是顶点，什么是边？,图的分类：无向图、有向图，主要看是否可逆,带权图：权的含义，不加权的图也可以认为所有边上的权都是1。,阶和度：一个图的阶是指图中顶点的个数,如果顶点A和B之间有一条边相连，则称A和B是关联的,顶点的度：与该顶点相关联的边的数目，有奇点、偶点之分,对于有向图：有入度和出度之分,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,2、图的基本概念：,定理：无向图中所有顶点的度之和等于边数的2倍；有向图中所有顶点的入度之和等于所有顶点的出度之和；任意一个无向图一定有偶数个（或0个）奇点；,完全图：,一个n阶的完全无向图含有n*(n-1)/2条边；一个n阶的完全有向图含有n*(n-1)条边；稠密图：当一个图的边数接近完全图时；稀疏图：当一个图的边数远远少于完全图时；在具体使用时，要选用不同的存储结构；,子图：从一个图中取出若干顶点、若干边构成的一个新的图；,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,2、图的基本概念：,路径：对于图G=（V，E），对于顶点a、b，如果存在一些顶点序列 x1=a,x2,xk=b(k1)，且（xi,xi+1）E，i=1,2k-1，则称 顶点序列x1,x2,xk为顶点a到顶点b的一条路径，而路径上边 的数目（即k-1）称为该路径的长度。并称顶点集合x1,x2,xk为一个连通集。,简单路径：如果一条路径上的顶点除了起点和终点可以相同外，其它 顶点均不相同，则称此路径为一条简单路径；起点和终点 相同的简单路径称为回路（或环）。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,2、图的基本概念：,路径和简单路径的举例：,左图123是一条简单路径，长度为2，而13413就不是简单路径；右图121为一个回路。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,2、图的基本概念：,连通：在一个图中，如果从顶点U到顶点V有路径，则称U和V是连通的；,有根图：在一个图中，若存在一个顶点W，它与其它顶点都是连通的，则称此图为有根图，顶点W即为它的根。,上面的两个图都是有根图，左图的1、2、3、4都可以作为根；而右图的1、2才可以作为根。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,2、图的基本概念：,连通图：如果一个无向图中，任意两个顶点之间 都是连通的，则称该无向图为连通图。否则称为非连通图；左图为一个连通图。,强连通图：在一个有向图中，对于任意两个顶点U和V，都存在着一条从U到V的有向路径，同时也存在着一条从V到U的有向路径，则称该有向图为强连通图；右图不是一个强连通图。,连通分支：一个无向图的连通分支定义为该图的最大连通子图，左图的连通分支是它本身。,强连通分支：一个有向图的强连通分支定义为该图的最大的强连通子图，右图含有两个强连通分支，一个是1和2构成的一个子图，一个是3独立构成的一个子图。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,3、图的存储结构（n阶e条边）：,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,从图中某一顶点出发系统地访问图中所有顶点，使每个顶点恰好被访问一次，这种运算操作被称为图的遍历。为了避免重复访问某个顶点，可以设一个标志数组visitedi，未访问时值为false，访问一次后就改为true。图的遍历分为深度优先遍历和广度（宽度）优先遍历两种方法。,图的深度优先遍历：类似于树的先序遍历。从图中某个顶点Vi出发，访问此顶点并作已访问标记，然后从Vi的一个未被访问过的邻接点Vj出发再进行深度优先遍历，当Vi的所有邻接点都被访问过时，则退回到上一个顶点Vk，再从Vk的另一个未被访问过的邻接点出发进行深度优先遍历，直至图中所有顶点都被访问到为止。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,左图从顶点a出发，进行深度优先遍历的结果为：a，b，c，d，e，g，f右图从V1出发进行深度优先遍历的结果为：V1，V2，V4，V8，V5，V3，V6，V7,对下面两个图分别进行深度优先遍历，写出遍历结果。注意：分别从a和V1出发。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,对于一个连通图，深度优先遍历的递归过程如下：Procedure dfs(i:integer)；图用邻接矩阵存储Begin 访问顶点i；Visitedi:=True；For j:=1 to n do 按深度优先搜索的顺序遍历与i相关联的所有顶点 Begin If(Not Visitedj)and(ai,j=1)Then dfs(j)；End；End；,以上dfs(i)的时间复杂度为O（n*n）。对于一个非连通图，调用一次dfs(i)，即按深度优先顺序依次访问了顶点i所在的（强）连通分支，所以只要在主程序中加上：for i:=1 to n do 深度优先搜索每一个未被访问过的顶点 if not Visited（I)then dfs(i);,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,图的宽（广）度优先遍历：类似于树的按层次遍历。从图中某个顶点V0出发，访问此顶点，然后依次访问与V0邻接的、未被访问过的所有顶点，然后再分别从这些顶点出发进行广度优先遍历，直到图中所有被访问过的顶点的相邻顶点都被访问到。若此时图中还有顶点尚未被访问，则另选图中一个未被访问过的顶点作为起点，重复上述过程，直到图中所有顶点都被访问到为止。,对上面两个图分别从a和V1出发进行宽度优先遍历，写出遍历结果。,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,对上面两个图分别从a和V1出发进行宽度优先遍历，写出遍历结果。,a，b，d，e，f，c，g V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,深度优先遍历与宽度优先遍历的比较：,深度优先遍历实际上是尽可能地走“顶点表”；而广度优先遍历是尽可能沿顶点的“边表”进行访问，然后再沿边表对应顶点的边表进行访问，因此，有关边表的顶点需要保存(用队列，先进先出)，以便进一步进行广度优先遍历。,下面是广度优先遍历的过程：,常州市第一中学 林厚从,图论算法与实现,一、图论基础知识,4、图的遍历：,时间：O（n*n）,Procedure bfs(i:integer)；宽度优先遍历，图用邻接矩阵表示Begin 访问顶点i；Visitedi:=true;顶点i入队q；while 队列q非空 do begin 从队列q中取出队首元素v；for j:=1 to n do begin if(not Visitedj)and(av,j=1)then begin 访问顶点j；Visitedj:=true;顶点j入队q end;end;end;End；,