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@@ -1808,7 +1808,7 @@
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<h1 id="91">9.1. 图<a class="headerlink" href="#91" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「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 <span class="arithmatex">\(G\)</span> 抽象地表示为一组顶点 <span class="arithmatex">\(V\)</span> 和一组边 <span class="arithmatex">\(E\)</span> 的集合。例如,以下表示一个包含 5 个顶点和 7 条边的图</p>
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<p>「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 <span class="arithmatex">\(G\)</span> 抽象地表示为一组顶点 <span class="arithmatex">\(V\)</span> 和一组边 <span class="arithmatex">\(E\)</span> 的集合。以下示例展示了一个包含 5 个顶点和 7 条边的图。</p>
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<div class="arithmatex">\[
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\begin{aligned}
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V & = \{ 1, 2, 3, 4, 5 \} \newline
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@@ -1819,17 +1819,17 @@ G & = \{ V, E \} \newline
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<p><img alt="链表、树、图之间的关系" src="../graph.assets/linkedlist_tree_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 链表、树、图之间的关系 </p>
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<p>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」看成一种从「链表」拓展而来的数据结构。<strong>相比线性关系(链表)和分治关系(树),网络关系(图)的自由度更高,也从而更为复杂</strong>。</p>
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<p>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。<strong>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</strong>。</p>
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<h2 id="911">9.1.1. 图常见类型<a class="headerlink" href="#911" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>根据边是否有方向,分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。</p>
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<p>根据边是否具有方向,可分为「无向图 Undirected Graph」和「有向图 Directed Graph」。</p>
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<ul>
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<li>在无向图中,边表示两顶点之间“双向”的连接关系,例如微信或 QQ 中的“好友关系”;</li>
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<li>在有向图中,边是有方向的,即 <span class="arithmatex">\(A \rightarrow B\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(A \leftarrow B\)</span> 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;</li>
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<li>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”;</li>
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<li>在有向图中,边具有方向性,即 <span class="arithmatex">\(A \rightarrow B\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(A \leftarrow B\)</span> 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;</li>
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</ul>
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<p><img alt="有向图与无向图" src="../graph.assets/directed_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 有向图与无向图 </p>
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<p>根据所有顶点是否连通,分为「连通图 Connected Graph」和「非连通图 Disconnected Graph」。</p>
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<p>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」。</p>
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<ul>
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<li>对于连通图,从某个顶点出发,可以到达其余任意顶点;</li>
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<li>对于非连通图,从某个顶点出发,至少有一个顶点无法到达;</li>
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@@ -1837,40 +1837,40 @@ G & = \{ V, E \} \newline
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<p><img alt="连通图与非连通图" src="../graph.assets/connected_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 连通图与非连通图 </p>
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<p>我们可以给边添加“权重”变量,得到「有权图 Weighted Graph」。例如,在王者荣耀等游戏中,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。</p>
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<p>我们还可以为边添加“权重”变量,从而得到「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。</p>
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<p><img alt="有权图与无权图" src="../graph.assets/weighted_graph.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 有权图与无权图 </p>
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<h2 id="912">9.1.2. 图常用术语<a class="headerlink" href="#912" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<ul>
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<li>「邻接 Adjacency」:当两顶点之间有边相连时,称此两顶点“邻接”。例如,上图中顶点 1 的邻接顶点为顶点 2, 3, 5 。</li>
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<li>「路径 Path」:从顶点 A 到顶点 B 走过的边构成的序列,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 的一个路径。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>「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。</li>
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</ul>
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<h2 id="913">9.1.3. 图的表示<a class="headerlink" href="#913" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>图的常用表示方法有「邻接矩阵」和「邻接表」。以下使用「无向图」来举例。</p>
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<p>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。</p>
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<h3 id="_1">邻接矩阵<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>设图的顶点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 来表示两个顶点之间有边或无边。</p>
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<p>如下图所示,记邻接矩阵为 <span class="arithmatex">\(M\)</span> 、顶点列表为 <span class="arithmatex">\(V\)</span> ,则矩阵元素 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 1\)</span> 代表着顶点 <span class="arithmatex">\(V[i]\)</span> 到顶点 <span class="arithmatex">\(V[j]\)</span> 之间有边,相反地 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 0\)</span> 代表两顶点之间无边。</p>
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<p>设图的顶点数量为 <span class="arithmatex">\(n\)</span> ,「邻接矩阵 Adjacency Matrix」使用一个 <span class="arithmatex">\(n \times n\)</span> 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 <span class="arithmatex">\(1\)</span> 或 <span class="arithmatex">\(0\)</span> 表示两个顶点之间是否存在边。</p>
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<p>如下图所示,设邻接矩阵为 <span class="arithmatex">\(M\)</span> 、顶点列表为 <span class="arithmatex">\(V\)</span> ,那么矩阵元素 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 1\)</span> 表示顶点 <span class="arithmatex">\(V[i]\)</span> 到顶点 <span class="arithmatex">\(V[j]\)</span> 之间存在边,反之 <span class="arithmatex">\(M[i][j] = 0\)</span> 表示两顶点之间无边。</p>
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<p><img alt="图的邻接矩阵表示" src="../graph.assets/adjacency_matrix.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的邻接矩阵表示 </p>
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<p>邻接矩阵具有以下性质:</p>
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<p>邻接矩阵具有以下特性:</p>
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<ul>
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<li>顶点不能与自身相连,因而邻接矩阵主对角线元素没有意义。</li>
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<li>「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。</li>
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<li>将邻接矩阵的元素从 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(0\)</span> 替换为权重,则能够表示「有权图」。</li>
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<li>顶点不能与自身相连,因此邻接矩阵主对角线元素没有意义。</li>
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<li>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。</li>
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<li>将邻接矩阵的元素从 <span class="arithmatex">\(1\)</span> , <span class="arithmatex">\(0\)</span> 替换为权重,则可表示有权图。</li>
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</ul>
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<p>使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接通过访问矩阵元素来获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。然而,矩阵的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,内存占用较大。</p>
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<p>使用邻接矩阵表示图时,我们可以直接访问矩阵元素以获取边,因此增删查操作的效率很高,时间复杂度均为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。然而,矩阵的空间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n^2)\)</span> ,内存占用较多。</p>
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<h3 id="_2">邻接表<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>「邻接表 Adjacency List」使用 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个链表来表示图,链表结点表示顶点。第 <span class="arithmatex">\(i\)</span> 条链表对应顶点 <span class="arithmatex">\(i\)</span> ,其中存储了该顶点的所有邻接顶点(即与该顶点相连的顶点)。</p>
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<p><img alt="图的邻接表表示" src="../graph.assets/adjacency_list.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 图的邻接表表示 </p>
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<p>邻接表仅存储存在的边,而边的总数往往远小于 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> ,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。</p>
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<p>观察上图发现,<strong>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</strong>。比如,当链表较长时,可以把链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> ,还可以通过中序遍历获取有序序列;还可以将链表转化为哈希表,将时间复杂度降低至 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<p>邻接表仅存储实际存在的边,而边的总数通常远小于 <span class="arithmatex">\(n^2\)</span> ,因此它更加节省空间。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。</p>
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<p>观察上图可发现,<strong>邻接表结构与哈希表中的「链地址法」非常相似,因此我们也可以采用类似方法来优化效率</strong>。例如,当链表较长时,可以将链表转化为 AVL 树或红黑树,从而将时间效率从 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> ,还可以通过中序遍历获取有序序列;此外,还可以将链表转换为哈希表,将时间复杂度降低至 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<h2 id="914">9.1.4. 图常见应用<a class="headerlink" href="#914" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>现实中的许多系统都可以使用图来建模,对应的待求解问题也可以被约化为图计算问题。</p>
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<p>实际应用中,许多系统都可以用图来建模,相应的待求解问题也可以约化为图计算问题。</p>
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