Polish the chapter of graph, hashing, appendix

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2023-04-09 03:09:06 +08:00
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@@ -1,6 +1,6 @@
# 图
「图 Graph」是一种非线性数据结构由「顶点 Vertex」和「边 Edge」组成。我们可将图 $G$ 抽象地表示为一组顶点 $V$ 和一组边 $E$ 的集合。例如,以下表示一个包含 5 个顶点和 7 条边的图
「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
$$
\begin{aligned}
@@ -12,53 +12,53 @@ $$
![链表、树、图之间的关系](graph.assets/linkedlist_tree_graph.png)
那么,图与其他数据结构的关系是什么?如果我们把「顶点」看作结点,把「边」看作连接各个结点的指针,则可将「图」看一种从「链表」拓展而来的数据结构。**相线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,从而更为复杂**。
那么,图与其他数据结构的关系是什么?如果我们把「顶点」看作结点,把「边」看作连接各个结点的指针,则可将「图」看作是一种从「链表」拓展而来的数据结构。**相较于线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,从而更为复杂**。
## 图常见类型
根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。
根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。
- 在无向图中,边表示两顶点之间“双向”连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
- 在有向图中,边有方向,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;
- 在无向图中,边表示两顶点之间“双向”连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;
- 在有向图中,边有方向,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,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。
根据所有顶点是否连通,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。
- 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)
我们可以边添加“权重”变量,得到「有权图 Weighted Graph」。例如在王者荣耀等游中,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使用有权图来表示。
我们可以边添加“权重”变量,从而得到「有权图 Weighted Graph」。例如在王者荣耀等游中,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)
## 图常用术语
- 「邻接 Adjacency」当两顶点之间边相连时,称两顶点“邻接”。例如,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 过的边构成的序列被称为从 A 到 B 的“路径”。例如,上图中边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一路径。
- 「度 Degree」表示一个顶点具有多少条边。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。
- 「邻接 Adjacency」当两顶点之间存在边相连时,称两顶点“邻接”。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 过的边构成的序列被称为从 A 到 B 的“路径”。上图中边序列 1-5-2-4 是顶点 1 到顶点 4 的一路径。
- 「度 Degree」表示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。
## 图的表示
图的常用表示方法「邻接矩阵」和「邻接表」。以下使用无向图」来举例。
图的常用表示方法包括「邻接矩阵」和「邻接表」。以下使用无向图进行举例。
### 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,使用 $1$ 或 $0$ 表示两个顶点之间有边或无边。
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。
如下图所示,邻接矩阵为 $M$ 、顶点列表为 $V$ 矩阵元素 $M[i][j] = 1$ 代表着顶点 $V[i]$ 到顶点 $V[j]$ 之间有边,相反地 $M[i][j] = 0$ 表两顶点之间无边。
如下图所示,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 $M[i][j] = 0$ 表两顶点之间无边。
![图的邻接矩阵表示](graph.assets/adjacency_matrix.png)
邻接矩阵具有以下性
邻接矩阵具有以下性:
- 顶点不能与自身相连,因邻接矩阵主对角线元素没有意义。
- 无向图两个方向的边等价,此时邻接矩阵关于主对角线对称。
- 将邻接矩阵的元素从 $1$ , $0$ 替换为权重,则能够表示有权图
- 顶点不能与自身相连,因邻接矩阵主对角线元素没有意义。
- 对于无向图两个方向的边等价,此时邻接矩阵关于主对角线对称。
- 将邻接矩阵的元素从 $1$ , $0$ 替换为权重,则表示有权图。
使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接通过访问矩阵元素获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 $O(1)$ 。然而,矩阵的空间复杂度为 $O(n^2)$ ,内存占用较
使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接访问矩阵元素获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 $O(1)$ 。然而,矩阵的空间复杂度为 $O(n^2)$ ,内存占用较
### 邻接表
@@ -66,20 +66,20 @@ $$
![图的邻接表表示](graph.assets/adjacency_list.png)
邻接表仅存储存在的边,而边的总数往往远小于 $n^2$ ,因此更加节省空间。但是,因为在邻接表中需要通过遍历链表来查找边,所以其时间效率不如邻接矩阵。
邻接表仅存储实际存在的边,而边的总数通常远小于 $n^2$ ,因此更加节省空间。然而,在邻接表中需要通过遍历链表来查找边,因此其时间效率不如邻接矩阵。
观察上图发现,**邻接表结构与哈希表「链地址法」非常相似,因此我们也可以用类似方法来优化效率**。如,当链表较长时,可以链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 $O(n)$ 优化至 $O(\log n)$ ,还可以通过中序遍历获取有序序列;还可以将链表转为哈希表,将时间复杂度降低至 $O(1)$ 。
观察上图发现,**邻接表结构与哈希表中的「链地址法」非常相似,因此我们也可以用类似方法来优化效率**。如,当链表较长时,可以链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 $O(n)$ 优化至 $O(\log n)$ ,还可以通过中序遍历获取有序序列;此外,还可以将链表转为哈希表,将时间复杂度降低至 $O(1)$ 。
## 图常见应用
现实中的许多系统都可以使用图来建模,应的待求解问题也可以约化为图计算问题。
实际应用中,许多系统都可以用图来建模,应的待求解问题也可以约化为图计算问题。
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| | 顶点 | 边 | 图计算问题 |
| -------- | ---- | -------------------- | ------------ |
| 社交网络 | 用户 | 好友关系 | 潜在好友推荐 |
| 地铁线路 | 站点 | 站点间的连通性 | 最短路线推荐 |
| 太阳系 | 星体 | 星体间的万有引力作用 | 行星轨道计算 |
| | 顶点 | 边 | 图计算问题 |
| ------ | ---- | --------------- | ------------ |
| 社交网络 | 用户 | 好友关系 | 潜在好友推荐 |
| 地铁线路 | 站点 | 站点间的连通性 | 最短路线推荐 |
| 太阳系 | 星体 | 星体间的万有引力作用 | 行星轨道计算 |
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