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Yudong Jin
2024-04-03 03:52:17 +08:00
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commit 2b1a98fb61
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# 图
「图 graph」是一种非线性数据结构,由顶点 vertex」和「边 edge」组成。我们可以将图 $G$ 抽象地表示为一组顶点 $V$ 和一组边 $E$ 的集合。以下示例展示了一个包含 5 个顶点和 7 条边的图。
<u>图graph</u>是一种非线性数据结构,由<u>顶点vertex</u>和<u>边edge</u>组成。我们可以将图 $G$ 抽象地表示为一组顶点 $V$ 和一组边 $E$ 的集合。以下示例展示了一个包含 5 个顶点和 7 条边的图。
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## 图的常见类型与术语
根据边是否具有方向,可分为无向图 undirected graph」和「有向图 directed graph,如下图所示。
根据边是否具有方向,可分为<u>无向图undirected graph</u>和<u>有向图directed graph</u>,如下图所示。
- 在无向图中,边表示两顶点之间的“双向”连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”。
- 在有向图中,边具有方向性,即 $A \rightarrow B$ 和 $A \leftarrow B$ 两个方向的边是相互独立的,例如微博或抖音上的“关注”与“被关注”关系。
![有向图与无向图](graph.assets/directed_graph.png)
根据所有顶点是否连通,可分为连通图 connected graph」和「非连通图 disconnected graph,如下图所示。
根据所有顶点是否连通,可分为<u>连通图connected graph</u>和<u>非连通图disconnected graph</u>,如下图所示。
- 对于连通图,从某个顶点出发,可以到达其余任意顶点。
- 对于非连通图,从某个顶点出发,至少有一个顶点无法到达。
![连通图与非连通图](graph.assets/connected_graph.png)
我们还可以为边添加“权重”变量,从而得到如下图所示的有权图 weighted graph。例如在《王者荣耀》等手游中,系统会根据共同游戏时间来计算玩家之间的“亲密度”,这种亲密度网络就可以用有权图来表示。
我们还可以为边添加“权重”变量,从而得到如下图所示的<u>有权图weighted graph</u>。例如在《王者荣耀》等手游中,系统会根据共同游戏时间来计算玩家之间的“亲密度”,这种亲密度网络就可以用有权图来表示。
![有权图与无权图](graph.assets/weighted_graph.png)
图数据结构包含以下常用术语。
- 邻接 adjacency:当两顶点之间存在边相连时,称这两顶点“邻接”。在上图中,顶点 1 的邻接顶点为顶点 2、3、5。
- 路径 path:从顶点 A 到顶点 B 经过的边构成的序列被称为从 A 到 B 的“路径”。在上图中,边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一条路径。
- 「度 degree:一个顶点拥有的边数。对于有向图,入度 in-degree表示有多少条边指向该顶点,出度 out-degree表示有多少条边从该顶点指出。
- <u>邻接adjacency</u>:当两顶点之间存在边相连时,称这两顶点“邻接”。在上图中,顶点 1 的邻接顶点为顶点 2、3、5。
- <u>路径path</u>:从顶点 A 到顶点 B 经过的边构成的序列被称为从 A 到 B 的“路径”。在上图中,边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一条路径。
- <u>度(degree</u>:一个顶点拥有的边数。对于有向图,<u>入度in-degree</u>表示有多少条边指向该顶点,<u>出度out-degree</u>表示有多少条边从该顶点指出。
## 图的表示
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### 邻接矩阵
设图的顶点数量为 $n$ 邻接矩阵 adjacency matrix使用一个 $n \times n$ 大小的矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,用 $1$ 或 $0$ 表示两个顶点之间是否存在边。
设图的顶点数量为 $n$ <u>邻接矩阵adjacency matrix</u>使用一个 $n \times n$ 大小的矩阵来表示图,每一行(列)代表一个顶点,矩阵元素代表边,用 $1$ 或 $0$ 表示两个顶点之间是否存在边。
如下图所示,设邻接矩阵为 $M$、顶点列表为 $V$ ,那么矩阵元素 $M[i, j] = 1$ 表示顶点 $V[i]$ 到顶点 $V[j]$ 之间存在边,反之 $M[i, j] = 0$ 表示两顶点之间无边。
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### 邻接表
邻接表 adjacency list使用 $n$ 个链表来表示图,链表节点表示顶点。第 $i$ 个链表对应顶点 $i$ ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点(与该顶点相连的顶点)。下图展示了一个使用邻接表存储的图的示例。
<u>邻接表adjacency list</u>使用 $n$ 个链表来表示图,链表节点表示顶点。第 $i$ 个链表对应顶点 $i$ ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点(与该顶点相连的顶点)。下图展示了一个使用邻接表存储的图的示例。
![图的邻接表表示](graph.assets/adjacency_list.png)

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树代表的是“一对多”的关系,而图则具有更高的自由度,可以表示任意的“多对多”关系。因此,我们可以把树看作图的一种特例。显然,**树的遍历操作也是图的遍历操作的一种特例**。
图和树都需要应用搜索算法来实现遍历操作。图的遍历方式也可分为两种:广度优先遍历」和「深度优先遍历
图和树都需要应用搜索算法来实现遍历操作。图的遍历方式也可分为两种:<u>广度优先遍历</u>和<u>深度优先遍历</u>
## 广度优先遍历