《数据结构教学课件》第7章.ppt
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1、1,数据结构,2,7.1 基本术语7.2 存储结构7.3 图的遍历7.4 图的其他运算7.5 图的应用,第7章 图,3,7.1 图的基本术语,图:记为 G(V,E)其中:V 是G的顶点集合,是有穷非空集;E 是G的边集合,是有穷集。,问:当E(G)为空时,图G存在否?答:还存在!但此时图G只有顶点而没有边。,有向图:无向图:完全图:,图G中的每条边都是有方向的;图G中的每条边都是无方向的;图G任意两个顶点都有一条边相连接;,若 n 个顶点的无向图有 n(n-1)/2 条边,称为无向完全图若 n 个顶点的有向图有n(n-1)条边,称为有向完全图,V=vertex E=edge,4,证明:,完全有
2、向图有n(n-1)条边。证明:若是完全有向图,则顶点1必必与所有其他顶点各有2条连线,即有2(n-1)条边,顶点2有2(n-2)条边,顶点n-1有2条边,顶点n有0条边.总边数2(n-1 n-210)=2(n-1+0)n/2=n(n-1),完全无向图有n(n-1)/2 条边。证明:若是完全无向图,则顶点1必与所有其他顶点各有1条连线,即有n-1条边,顶点2有n-2条边,顶点n-1有1条边,顶点n有0条边.总边数 n-1 n-210=(n-1+0)n/2=n(n-1)/2,5,例:判断下列4种图形各属什么类型?,无向,无向图(树),有向图,有向,n(n-1)/2 条边,n(n-1)条边,G1的顶
3、点集合为V(G1)=0,1,2,3边集合为E(G1)=(0,1),(0,2),(0,3),(1,2),(1,3),(2,3),完全图,完全图,6,稀疏图:稠密图:,设有两个图 G(V,E)和 G(V,E)。若 V V 且 E E,则称 图G 是 图G 的子图。,子 图:,边较少的图。通常边数n2边很多的图。无向图中,边数接近n(n-1)/2;有向图中,边数接近n(n-1),7,带权图:,即边上带权的图。其中权是指每条边可以标上具有某种含义的数值(即与边相关的数)。,连通图:,在无向图中,若从顶点v1到顶点v2有路径,则称顶点v1与v2是连通的。如果图中任意一对顶点都是连通的,则称此图是连通图。
4、非连通图的极大连通子图叫做连通分量。,带权图,网 络:,8,在有向图中,若对于每一对顶点vi和vj,都存在一条从vi到vj和从vj到vi的路径,则称此图是强连通图。非强连通图的极大强连通子图叫做强连通分量。,强连通图:,有两类图形不在本章讨论之列:,9,邻接点:,有向边(u,v)称为弧,边的始点u叫弧尾,终点v叫弧头,顶点v的度是与它相关联的边的条数。记作TD(v)。在有向图中,顶点的度等于该顶点的入度与出度之和。顶点 v 的入度是以 v 为终点的有向边的条数,记作 ID(v);顶点 v 的出度是以 v 为始点的有向边的条数,记作 OD(v)。,若(u,v)是 E(G)中的一条边,则称 u 与
5、 v 互为邻接顶点,弧头和弧尾:,度、入度和出度:,10,生成树:,是一个极小连通子图,它含有图中全部顶点,但只有n-1条边。如果在生成树上添加1条边,必定构成一个环。若图中有n个顶点,却少于n-1条边,必为非连通图。,生成森林:,问:当有向图中仅1个顶点的入度为0,其余顶点的入度均为1,此时是何形状?,由若干棵生成树组成,含全部顶点,但构成这些树的边是最少的。,答:是树!而且是一棵有向树!,11,路径:,在图 G(V,E)中,若从顶点 vi 出发,沿一些边经过一些顶点 vp1,vp2,vpm,到达顶点vj。则称顶点序列(vi vp1 vp2.vpm vj)为从顶点vi 到顶点 vj 的路径。
6、它经过的边(vi,vp1)、(vp1,vp2)、.、(vpm,vj)应当是属于E的边。,路径长度:,非带权图的路径长度是指此路径上边的条数;带权图的路径长度是指路径上各边的权之和。,12,简单路径:,路径上各顶点 v1,v2,.,vm 均不互相重复。,回 路:,例:,若路径上第一个顶点 v1 与最后一个顶点vm 重合,则称这样的路径为回路或环。,13,7.2 图的存储结构,图的特点:非线性结构(m:n),邻接表邻接多重表十字链表,设计为邻接矩阵,链式存储结构:,顺序存储结构:,无!,(多个顶点,无序可言)但可用数组描述元素间关系。,可用多重链表,重点介绍:,邻接矩阵(数组)表示法邻接表(链式)
7、表示法,14,一、邻接矩阵(数组)表示法,建立一个顶点表(记录各个顶点信息)和一个邻接矩阵(表示各个顶点之间关系)。设图 A=(V,E)有 n 个顶点,则图的邻接矩阵是一个二维数组 A.Edgenn,定义为:,例1:,邻接矩阵:,A.Edge=,(v1 v2 v3 v4 v5),v1v2v3v4v5,0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0,分析1:无向图的邻接矩阵是对称的;分析2:顶点i 的度第 i 行(列)中1 的个数;特别:完全图的邻接矩阵中,对角元素为0,其余全1。,0 1 0 1 01 0 1 0 10 1 0 1 11 0 1 0
8、10 1 1 1 0,0 1 0 1 01 0 1 0 10 1 0 1 11 0 1 0 10 1 1 1 0,顶点表:,15,例2:有向图的邻接矩阵,分析1:有向图的邻接矩阵可能是不对称的。分析2:顶点的出度=第i行元素之和,OD(Vi)=A.Edge i j 顶点的入度=第i列元素之和。ID(Vi)=A.Edge j i 顶点的度=第i行元素之和+第i列元素之和,即:TD(Vi)=OD(Vi)+ID(Vi),邻接矩阵:,A.Edge=,(v1 v2 v3 v4),v1v2v3v4,0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,注:在有向图的邻接矩阵中,第i行含义:以结点v
9、i为尾的弧(即出度边);第i列含义:以结点vi为头的弧(即入度边)。,顶点表:,0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0,0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0,16,特别讨论:网(即有权图)的邻接矩阵,定义为:,以有向网为例:,邻接矩阵:,N.Edge=,(v1 v2 v3 v4 v5 v6),顶点表:,5 7 4 8 9 5 6 5 3 1,5 7 4 8 9 5 6 5 3 1,17,容易实现图的操作,如:求某顶点的度、判断顶点之间是否有边(弧)、找顶点的邻接点等等。n个顶点需要n*n个单元存储边(弧);空间效率为O(n2)。对稀疏图而言尤其浪费
10、空间。,邻接矩阵法优点:,邻接矩阵法缺点:,18,二、邻接表(链式)表示法,对每个顶点vi 建立一个单链表,把与vi有关联的边的信息(即度或出度边)链接起来,表中每个结点都设为3个域;,每个单链表还应当附设一个头结点(设为2个域),存vi信息;,表结点,头结点,邻接点域,表示vi一个邻接点的位置,链域,指向vi下一个边或弧的结点,数据域,与边有关信息(如权值),数据域,存储顶点vi 信息,链域,指向单链表的第一个结点,每个单链表的头结点另外用顺序存储结构存储。,19,例1:无向图的邻接表,邻接表,注:邻接表不唯一,因各个边结点的链入顺序是任意的。,20,例2:有向图的邻接表,邻接表(出边),逆
11、邻接表(入边),21,例3:已知某网的邻接(出边)表,请画出该网络。,80,64,1,2,5,当邻接表的存储结构形成后,图便唯一确定!,22,讨论:邻接表与邻接矩阵有什么异同之处?,1.联系:邻接表中每个链表对应于邻接矩阵中的一行,链表中结点个数等于一行中非零元素的个数。2.区别:对于任一确定的无向图,邻接矩阵是唯一的(行列号与顶点编号一致),但邻接表不唯一(链接次序与顶点编号无关)。邻接矩阵的空间复杂度为O(n2),而邻接表的空间复杂度为O(n+e)。3.用途:邻接矩阵多用于稠密图的存储(e接近n(n-1)/2);而邻接表多用于稀疏图的存储(en2),23,图的邻接表存储表示(参见教材P16
12、3),#define MAX_VERTEX_NUM 20/假设的最大顶点数Typedef struct ArcNode int adjvex;/该弧所指向的顶点位置 struct ArcNode*nextarcs;/指向下一条弧的指针 InfoArc*info;/该弧相关信息的指针 ArcNode;Typedef struct VNode/顶点结构 VertexType data;/顶点信息 ArcNode*firstarc;/指向依附该顶点的第一条弧的指针VNode,AdjList MAX_VERTEX_NUM;Typedef struct/图结构 AdjList vertics;/应包含邻
13、接表 int vexnum,arcnum;/应包含顶点总数和弧总数 int kind;/还应说明图的种类(用标志)ALGraph;/图结构,图的邻接表生成算法作为自测题。,空间效率为O(n+2e)或O(n+e)时间效率为O(n+e*n),24,7.3 图的遍历,遍历定义:从已给的连通图中某一顶点出发,沿着一些边访遍图中所有的顶点,且使每个顶点仅被访问一次,就叫做图的遍历,它是图的基本运算。,遍历实质:找每个顶点的邻接点的过程。图的特点:图中可能存在回路,且图的任一顶点都可能与其它顶点相通,在访问完某个顶点之后可能会沿着某些边又回到了曾经访问过的顶点。,怎样避免重复访问?,25,一、深度优先搜索
14、二、广度优先搜索,解决思路:可设置一个辅助数组 visited n,用来标记每个被访问过的顶点。它的初始状态为0,在图的遍历过程中,一旦某一个顶点i 被访问,就立即改 visited i为1,防止它被多次访问。,图常用的遍历:,26,一、深度优先搜索(DFS),基本思想:仿树的先序遍历过程。,Depth_First Search,v1,DFS 结果,例1:,v2,v4,v8,v5,v3,v6,v7,例2:,v2 v1 v3 v5,DFS 结果,v4 v6,起点,起点,27,深度优先搜索(遍历)步骤:,详细归纳:在访问图中某一起始顶点 v 后,由 v 出发,访问它的任一邻接顶点 w1;再从 w1
15、 出发,访问与 w1邻接但还未被访问过的顶点 w2;然后再从 w2 出发,进行类似的访问,如此进行下去,直至到达所有的邻接顶点都被访问过的顶点 u 为止。接着,退回一步,退到前一次刚访问过的顶点,看是否还有其它没有被访问的邻接顶点。如果有,则访问此顶点,之后再从此顶点出发,进行与前述类似的访问;如果没有,就再退回一步进行搜索。重复上述过程,直到连通图中所有顶点都被访问过为止。,简单归纳:访问起始点 v;若v的第1个邻接点没访问过,深度遍历此邻接点;若当前邻接点已访问过,再找v的第2个邻接点重新遍历。,28,讨论1:计算机如何实现DFS?,DFS 结果,邻接矩阵A,辅助数组 visited n,
16、起点,v2v1v3v5v4v6,开辅助数组 visited n!,例:,29,讨论2:DFS算法如何编程?,DFS1(A,n,v)visit(v);visitedv=1;for(j=1;j=n;j+)if(Av,j,可以用递归算法!,/Ann为邻接矩阵,v为起始顶点(编号),/访问(例如打印)顶点v,/DFS1,Av,j 1 有邻接点,visited n=0未访问过,/访问后立即修改辅助数组标志,/从v所在行从头搜索邻接点,(教材上DFS递归算法见P169),30,讨论3:在图的邻接表中如何进行DFS?,v0 v1 v2 v3,DFS 结果,辅助数组 visited n,例:,照样借用visi
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