【刷穿 LeetCode】求「连通图经过所有点的最短路径」的三种方式 :「BFS」&「Floyd + 状压 DP」 &「AStar 算法」

简介: 【刷穿 LeetCode】求「连通图经过所有点的最短路径」的三种方式 :「BFS」&「Floyd + 状压 DP」 &「AStar 算法」

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题目描述



这是 LeetCode 上的 847. 访问所有节点的最短路径 ,难度为 困难


Tag : 「图」、「图论 BFS」、「动态规划」、「状态压缩」


存在一个由 n 个节点组成的无向连通图,图中的节点按从 0 到 n - 1 编号。


给你一个数组 graph 表示这个图。其中,graph[i] 是一个列表,由所有与节点 i 直接相连的节点组成。


返回能够访问所有节点的最短路径的长度。你可以在任一节点开始和停止,也可以多次重访节点,并且可以重用边。


示例 1:


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输入:graph = [[1,2,3],[0],[0],[0]]
输出:4
解释:一种可能的路径为 [1,0,2,0,3]
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示例 2:


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输入:graph = [[1],[0,2,4],[1,3,4],[2],[1,2]]
输出:4
解释:一种可能的路径为 [0,1,4,2,3]
复制代码


提示:


  • n == graph.length
  • 1 <= n <= 12
  • 0 <= graph[i].length < n
  • graph[i] 不包含 i
  • 如果 graph[a] 包含 b ,那么 graph[b] 也包含 a
  • 输入的图总是连通图


基本分析



为了方便,令点的数量为 nn,边的数量为 mm


这是一个等权无向图,题目要我们求从「一个点都没访问过」到「所有点都被访问」的最短路径。


同时 nn 只有 1212,容易想到使用「状态压缩」来代表「当前点的访问状态」:使用二进制表示长度为 3232int 的低 1212 来代指点是否被访问过。


我们可以通过一个具体的样例,来感受下「状态压缩」是什么意思:


例如 (000...0101)_2(000...0101)2 代表编号为 00 和编号为 22 的节点已经被访问过,而编号为 11 的节点尚未被访问。


然后再来看看使用「状态压缩」的话,一些基本的操作该如何进行:


假设变量 statestate 存放了「当前点的访问状态」,当我们需要检查编号为 xx 的点是否被访问过时,可以使用位运算 a = (state >> x) & 1,来获取 statestate 中第 xx 位的二进制表示,如果 a11 代表编号为 xx 的节点已被访问,如果为 00 则未被访问。


同理,当我们需要将标记编号为 xx 的节点已经被访问的话,可以使用位运算 state | (1 << x) 来实现标记。


状态压缩 + BFS



因为是等权图,求从某个状态到另一状态的最短路,容易想到 BFS


同时我们需要知道下一步能往哪些点进行移动,因此除了记录当前的点访问状态 statestate 以外,还需要记录最后一步是在哪个点 uu,因此我们需要使用二元组进行记录 (state, u)(state,u),同时使用 distdist 来记录到达 (state, u)(state,u) 使用的步长是多少。


一些细节:由于点的数量较少,使用「邻接表」或者「邻接矩阵」来存图都可以。对于本题,由于已经给出了 graphgraph 数组,因此可以直接充当「邻接表」来使用,而无须做额外的存图操作。


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代码:


class Solution {
    int INF = 0x3f3f3f3f;
    public int shortestPathLength(int[][] graph) {
        int n = graph.length;
        int mask = 1 << n;
        // 初始化所有的 (state, u) 距离为正无穷
        int[][] dist = new int[mask][n];
        for (int i = 0; i < mask; i++) Arrays.fill(dist[i], INF);
        // 因为可以从任意起点出发,先将起始的起点状态入队,并设起点距离为 0
        Deque<int[]> d = new ArrayDeque<>(); // state, u
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dist[1 << i][i] = 0;
            d.addLast(new int[]{1 << i, i});
        }
        // BFS 过程,如果从点 u 能够到达点 i,则更新距离并进行入队
        while (!d.isEmpty()) {
            int[] poll = d.pollFirst();
            int state = poll[0], u = poll[1], step = dist[state][u];
            if (state == mask - 1) return step;
            for (int i : graph[u]) {
                if (dist[state | (1 << i)][i] == INF) {
                    dist[state | (1 << i)][i] = step + 1;
                    d.addLast(new int[]{state | (1 << i), i});
                }
            }
        }
        return -1; // never
    }
}
复制代码


  • 时间复杂度:点(状态)数量为 n * 2^nn2n,边的数量为 n^2 * 2^nn22nBFS 复杂度上界为点数加边数,整体复杂度为 O(n^2 * 2^n)O(n22n)
  • 空间复杂度:O(n * 2^n)O(n2n)


Floyd + 状压 DP



其实在上述方法中,我们已经使用了与 DP 状态定义分析很像的思路了。甚至我们的元祖设计 (state, u)(state,u) 也很像状态定义的两个维度。


那么为什么我们不使用 f[state][u]f[state][u] 为从「没有点被访问过」到「访问过的点状态为 statestate」,并最后一步落在点 uu 的状态定义,然后跑一遍 DP 来做呢?


是因为如果从「常规的 DP 转移思路」出发,状态之间不存在拓扑序(有环),这就导致了我们在计算某个 f[state][u]f[state][u] 时,它所依赖的状态并不确保已经被计算/更新完成,所以我们无法使用常规的 DP 手段来求解。


这里说的常规 DP 手段是指:枚举所有与 uu 相连的节点 vv,用 f[state'][v]f[state][v] 来更新 f[state][u]f[state][u] 的转移方式。


常规的 DP 转移方式状态间不存在拓扑序,我们需要换一个思路进行转移。


对于某个 statestate 而言,我们可以枚举其最后一个点 ii 是哪一个,充当其达到 statestate 的最后一步,然后再枚举下一个点 jj 是哪一个,充当移动的下一步(当然前提是满足 statestate 的第 ii 位为 11,而第 jj 位为 00)。


求解任意两点最短路径,可以使用 Floyd 算法,复杂度为 O(n^3)O(n3)


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代码:


class Solution {
    int INF = 0x3f3f3f3f;
    public int shortestPathLength(int[][] graph) {
        int n = graph.length;
        int mask = 1 << n;
        // Floyd 求两点的最短路径
        int[][] dist = new int[n][n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                dist[i][j] = INF;
            }
        }
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j : graph[i]) dist[i][j] = 1;
        }
        for (int k = 0; k < n; k++) {
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                for (int j = 0; j < n; j++) {
                    dist[i][j] = Math.min(dist[i][j], dist[i][k] + dist[k][j]);
                }
            }
        }
        // DP 过程,如果从 i 能够到 j 的话,使用 i 到 j 的最短距离(步长)来转移
        int[][] f = new int[mask][n];
        // 起始时,让所有状态的最短距离(步长)为正无穷
        for (int i = 0; i < mask; i++) Arrays.fill(f[i], INF);
        // 由于可以将任意点作为起点出发,可以将这些起点的最短距离(步长)设置为 0
        for (int i = 0; i < n; i++) f[1 << i][i] = 0;
        // 枚举所有的 state
        for (int state = 0; state < mask; state++) {
            // 枚举 state 中已经被访问过的点
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                if (((state >> i) & 1) == 0) continue;
                // 枚举 state 中尚未被访问过的点
                for (int j = 0; j < n; j++) {
                    if (((state >> j) & 1) == 1) continue;
                    f[state | (1 << j)][j] = Math.min(f[state | (1 << j)][j], f[state][i] + dist[i][j]);
                }
            }
        }
        int ans = INF;
        for (int i = 0; i < n; i++) ans = Math.min(ans, f[mask - 1][i]);
        return ans;
    }
}
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  • 时间复杂度:Floyd 复杂度为 O(n^3)O(n3);DP 共有 n * 2^nn2n 个状态需要被转移,每次转移复杂度为 O(n)O(n),总的复杂度为 O(n^2 * 2^n)O(n22n)。整体复杂度为 O(\max(n^3, n^2 * 2^n))O(max(n3,n22n))
  • 空间复杂度:O(n * 2^n)O(n2n)


AStar



显然,从 statestatestate'state 的「理论最小修改成本」为两者二进制表示中不同位数的个数。


同时,当且仅当在 statestate11 的位置与 state'state00 存在边,才有可能取到这个「理论最小修改成本」。


因此直接使用当前状态 statestate 与最终目标状态 1 << n 两者二进制表示中不同位数的个数作为启发预估值是合适的。


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代码:


class Solution {
    int INF = 0x3f3f3f3f;
    int n;
    int f(int state) {
        int ans = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (((state >> i) & 1) == 0) ans++;
        }
        return ans;
    }
    public int shortestPathLength(int[][] g) {
        n = g.length;
        int mask = 1 << n;
        int[][] dist = new int[mask][n];
        for (int i = 0; i < mask; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                dist[i][j] = INF;
            }
        }
        PriorityQueue<int[]> q = new PriorityQueue<>((a,b)->a[2]-b[2]); // state, u, val
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dist[1 << i][i] = 0;
            q.add(new int[]{1<< i, i, f(i << 1)});
        }
        while (!q.isEmpty()) {
            int[] poll = q.poll();
            int state = poll[0], u = poll[1], step = dist[state][u];
            if (state == mask - 1) return step;
            for (int i : g[u]) {
                int nState = state | (1 << i);
                if (dist[nState][i] > step + 1) {
                    dist[nState][i] = step + 1;
                    q.add(new int[]{nState, i, step + 1 + f(nState)});
                }
            }
        }
        return -1; // never
    }
}
复制代码


最后



这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.847 篇,系列开始于 2021/01/01,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。


在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。


为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码,我建立了相关的仓库:github.com/SharingSour…


在仓库地址里,你可以看到系列文章的题解链接、系列文章的相应代码、LeetCode 原题链接和其他优选题解。

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