数据结构-图的应用

简介: 数据结构-图的应用

图的应用

  • 最小生成树

    • 普利姆(Prlm)

      • ①从图中找第一个起始顶点v0,作为生成树的第一个顶点,然后从这个顶点到其他顶点的所有边中选一条权值最小的边。然后把这条边的另一个顶点v和这条边加入到生成树中。
      • ②对剩下的其他所有顶点,分别检查这些顶点与顶点v的权值是否比这些顶点在lowcost数组中对应的权值小,如果更小,则用较小的权值更新lowcost数组。
      • ③从更新后的lowcost数组中继续挑选权值最小而且不在生成树中的边,然后加入到生成树。
      • ④反复执行②③直到所有所有顶点都加入到生成树中。
      • 概要:

        • 双重循环,外层循环次数为n-1,内层并列的两个循环次数都是n。故普利姆算法时间复杂度为O(n2)

而且时间复杂度只和n有关,所以适合稠密图

* 克鲁斯卡尔(Kruskal)
    * 将图中边按照权值从小到大排列,然后从最小的边开始扫描,设置一个边的集合来记录,如果该边并入不构成回路的话,则将该边并入当前生成树。直到所有的边都检测完为止。
    * 概要:  
        * 
        *  
        * 概要: 克鲁斯卡尔算法操作分为对边的权值排序部分和一个单重for循环,它们是并列关系,由于排序耗费时间大于单重循环,所以克鲁斯卡尔算法的主要时间耗费在排序上。排序和图中边的数量有关系,所以适合稀疏图
  • 最短路径

    • 迪杰斯特拉

      • 一个源点到其余顶点的最短路径

        • 该算法设置一个集合S记录已求得的最短路径的顶点,可用一个数组s[]来实现,初始化为0,当s[vi]=1时表示将顶点vi放入S中,初始时把源点v0放入S中。此外,在构造过程中还设置了两个辅助数组:

dist[]:记录了从源点v0到其他各顶点当前的最短路径长度,dist[i]初值为arcsv0。
path[]:path[i]表示从源点到顶点i之间的最短路径的前驱结点,在算法结束时,可根据其值追溯得到源点v0到顶点vi的最短路径。

假设从顶点0出发,也就是顶点0为源点,集合S最初只包含顶点0,邻接矩阵arcs表示带权有向图,arcsi表示有向边<i,j>的权值,若不存在有向边<i,j>,则arcsi为∞。Dijkstra算法的步骤如下:
1)初始化:集合S初始为{0},dist[]的初始值dist[i]=arcs0,i=1,2,…,n-1。
2)找出dist[]中的最小值dist[j],将顶点j加入集合S,即修改s[vj]=1。
3)修改从v0出发到集合V-S上任一顶点vk可达的最短路径长度:如果dist[j] + arcsj< dist[k],则令dist[k]=dist[j] + arcsj。另外更新path[k]=j(也就是顶点j加入集合之后如果有新的路径使得到顶点k路径变短的话就将到顶点k的路径长度修改成较短的)
4)重复2)~3)操作共n-1次,直到所有的顶点都包含在S中。

* 弗洛伊德
    * 所有顶点到所有顶点的最短路径
        * 算法思想:

递推产生一个n阶方阵序列A(−1),A(0),…,A(k),…,A(n−1)
其中A(k)i表示从顶点vi到顶点vj的路径长度,k表示绕行第k个顶点的运算步骤。初始时,对于任意两个顶点vi和vj,若它们之间存在边,则以此边上的权值作为它们之间的最短路径长度;若它们之间不存在有向边,则以∞作为它们之间的最短路径长度。以后逐步尝试在原路径中加入顶点k(k=0,1,…,n-1)作为中间顶点。如果增加中间顶点后,得到的路径比原来的路径长度减少了,则以此新路径代替原路径

* 非带权图
    * 两点之间经过边数最少的路径
* 带权图
    * 两点之间经过的边上权值之和最小的路径
  • 拓扑排序

    • AOV

      • 如果我们把每个环节看成图中一个顶点,在这样一个有向图中,用顶点表示活动,用弧表示活动之间的优先关系,那么这样的有向图称为AOV网(Activity On Vertex)
    • 拓扑排序就是对一个有向图构造拓扑序列的过程,构造会有两种结果:

如果此图全部顶点都被输出了,说明它是不存在回路的AOV网;
如果没有输出全部顶点,则说明这个图存在回路,不是AOV网。

* 拓扑排序算法:
 从AOV网中选择一个入度为0的顶点输出,然后删去此顶点,并删除以此顶点为弧尾的弧。重复这个步骤直到输出图中全部顶点,或者找不到入度为0的顶点为止。
  • 关键路径

    • AOE(Activity On Edge):在一个表示工程的带权有向图中,用顶点表示事件,用有向边表示活动,用边上的权值表示活动的持续时间,这种有向图的边表示活动的网称为AOE网。
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