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图的遍历和Prim最小生成树(万字总结)_图的遍历及最小生成树

图的遍历及最小生成树

图的遍历和Prim最小生成树


通常来说图有邻接矩阵(即二维数组)和邻接表(即多重链表)表示,如图:

邻接矩阵:

邻接矩阵

邻接表:

邻接表

一、邻接矩阵表示法

1.1图的深度优先遍历

1.1.1 递归

例如下图:表示出发点从A开始的递归树

DFS

深度优先搜索DFS,在树和图中其实本质是一样的,可以说树是一种特殊的图,在二叉树(链式存储结构)中,每个结点含有两个指针,分别指向左、右孩子,当然如果没有左右孩子结点则将该指针域置空。遍历时仅需考虑两种情况:1.往左走进入左子树 2.往右走进入右子树,知道指针域为空,则回溯。而在图中,一个结点可能会连接巨多结点,而每一个结点的出度又不尽相同,所以需要提前在建图的时候把所有顶点存入,那么在接下来的遍历中,依次判断与其他顶点的关系,如果是相连的,就可以从走到该节点,如此往复。当然,遍历要求要做到每个节点不重不漏的访问,那么则需要标记数组的记录,对于非连通图,需要依次枚举各个顶点以确保不重不漏。

完整代码如下:

  1. 从某点开始进行深度优先遍历
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

const int MVNum = 500;

bool visited[MVNum];//标记数组,初始化为未访问false

typedef struct 
{
    char vexs[MVNum];
    int arcs[MVNum][MVNum];
    int vexnum, arcnum;

}AMGraph;

int Locatevex(AMGraph &G, char ch)
{
	for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
		if (G.vexs[i] == ch) return i;
	}
	return 0;
}

void CreateUDN(AMGraph &G)
{
    //cout << "请输入点数目和边数:" << endl; 
    cin >> G.vexnum >> G.arcnum;//输入顶点数目和边数,空格隔开
    
    // cout << "请依次输入各个顶点 :" << endl;
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) 
        cin >> G.vexs[i];//依次输入各个顶点
    
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) 
        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) 
            G.arcs[i][j] = 0;//对边初始化 
    //  cout << "请输入两顶点,建立边关系 :" << endl;   
    for (int i = 1; i <= G.arcnum; ++ i) 
    {
        char v1, v2; 
        cin >> v1 >> v2;//输入两顶点,建立边关系 
        //寻找两个顶点在存入顶点数组中的位置
        int x1 = Locatevex(G, v1);
        int x2 = Locatevex(G, v2);
        G.arcs[x1][x2] = G.arcs[x2][x1] = 1;
    }
    return;
}

void DFS(AMGraph &G, int x)
{   
    //访问输出该顶点,标记为已访问
    cout << G.vexs[x] << ' ';
    visited[x] = true;

    for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j)
    {   //如果与下一个点有联系且没有访问,则访问下一个点
        if (G.arcs[x][j] && !visited[j]) DFS(G, G.vex[j]);
    }
    return;
}

int main()
{
    AMGraph G;

    CreateUDN(G);

/*  打印建立的二维矩阵 
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) cout << G.arcs[i][j] << ' ';
        cout << endl;
    }
*/ 
    char v; cin >> v;//若为非连通图,则删此行,改DFS为DFS_ALL
    DFS(G, v);
    system("pause");

    return 0;
}
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n1

  1. 对于非连通图,加上这个函数,主函数直接调用即可
void DFS_ALL(AMGraph &G)
{
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i)
       if (!visited[i]) DFS(G, i);
}
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n2

1.1.2 非递归
  1. 从某点开始进行深度优先遍历
//直接把上面的DFS函数改了即可,需要引用头文件stack
//#include <stack>或引用万能头文件#include <bits/stdc++.h>
void DFS(AMGraph &G, char v)
{
	stack <char> S;
	S.push(v);
    while (!S.empty())
    {
        char c = S.top(); S.pop();//取出栈顶元素 
        int x = Locatevex(G, c);//对该元素定位 
        if (!visited[x]) {
        	cout << c << " "; visited[x] = true;//输出该元素 
	        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) {
	        	if (G.arcs[x][j] && !visited[j]) {
	        		//将该元素所有相关联的点入栈 
                    S.push(G.vexs[j]);
				}
		    }
		}
        
    }
    return;
}
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n3

  1. 对于非连通图,DFS_ALL函数完全同上

运行结果如下:

b1

1.2、图的广度优先遍历

例如下图:

BFS

类似于树的层序遍历,在图中也是一层一层地访问。代码方面直接将DFS非递归中栈改成队列即可,BFS函数如下:(从某点开始)

//需要引用头文件#include <queue>
//或引用万能头文件#include <bits/stdc++.h>
void BFS(AMGraph &G, char v)
{
	queue <char> Q;
	Q.push(v);
    while (!Q.empty())
    {
        char c = Q.front(); Q.pop();//取出队头元素 
        int x = Locatevex(G, c);//对该元素定位 
        if (!visited[x]) {
        	cout << c << " "; visited[x] = true;//输出该元素 
	        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) {
	        	if (G.arcs[x][j] && !visited[j]) {
	        		Q.push(G.vexs[j]);
                    //将该元素所有相关联的点入队
				}
			}
		}
    }
    return;
}
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运行结果:

b2

1.3、Prim最小生成树

完整代码如下:

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

const int MVNum = 500, MaxInt = 0x7fffffff;

typedef struct 
{
    char vexs[MVNum];
    int arcs[MVNum][MVNum];
    int vexnum, arcnum;

}AMGraph;

struct Node 
{
	char adjvex;
	int lowcost;
}closedge[MVNum];

int Locatevex(AMGraph G, char ch)
{
	for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
		if (G.vexs[i] == ch) return i;
	}
	return 0;
}

void CreatUDN(AMGraph &G)
{
	cout << "请输入点数目和边数:" << endl; 
    cin >> G.vexnum >> G.arcnum;
    char v1, v2; int w;
    cout << "请依次输入各个顶点编号 :" << endl; 
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) cin >> G.vexs[i];
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) 
        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) G.arcs[i][j] = MaxInt;//初始化无穷大 
    cout << "请输入两顶点,建立边关系 :" << endl;  
    for (int i = 1; i <= G.arcnum; ++ i) {
        cin >> v1 >> v2 >> w;
        int x1 = Locatevex(G, v1);
        int x2 = Locatevex(G, v2);
        G.arcs[x1][x2] = G.arcs[x2][x1] = w;
    }
    return;
}

int Min(AMGraph &G)
{
    int res = MaxInt, x = 0;
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
        if (closedge[i].lowcost) {
            if (closedge[i].lowcost < res) {
                res = closedge[i].lowcost; x = i;
            }    
        }
    }
    return x;
}

void MiniSpanTree_Prim(AMGraph &G)
{
    int t = 0; char v;
    cout << "请输入出发点:" << endl; 
    cin >> v;
    int k = Locatevex(G, v); 
    for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) 
        if (j != k) {
        	 closedge[j].adjvex = v;
			 closedge[j].lowcost =  G.arcs[k][j];
		}

    closedge[k].lowcost = 0;

    for (int i = 1; i < G.vexnum; ++ i)
    {
        k = Min(G);

        char u0 = closedge[k].adjvex;
        char v0 = G.vexs[k];
        
        cout << u0 << ' ' << v0 << endl;

        closedge[k].lowcost = 0;
        for (int j = 1; j <= G.vexnum; ++ j) {
            if (G.arcs[k][j] < closedge[j].lowcost) {
            	closedge[j].adjvex = G.vexs[k];
            	closedge[j].lowcost = G.arcs[k][j];
			}
		}
    }
    
    return;
}

int main()
{
    AMGraph G;
    CreatUDN(G);
    
    MiniSpanTree_Prim(G);
    
    system("pause");

    return 0;
}
/*测试用例:
6 10
ABCDEF
A B 6
A D 5
A C 1
B C 5
B E 3
C D 5
C E 6
C F 4
D F 2
E F 6
*/
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二、邻接表表示法

2.1图的深度优先遍历

2.1.1 递归

  1. 从某点开始进行深度优先遍历
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

const int MVNum = 500;
bool visited[MVNum];

typedef struct ArcNode
{
	int adjvex;
	struct ArcNode * nextarc; 
}ArcNode;

typedef struct VNode
{
	char data;
	ArcNode * firstarc;
}VNode, AdjList[MVNum];

typedef struct
{
	AdjList vertices;
	int vexnum, arcnum;
}ALGraph;

int LocateVex(ALGraph G, char v)
{
	for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
		if (G.vertices[i].data == v) {
			return i;
		}
	}
	return 0;
}

void CreateUDG(ALGraph &G)
{
	cout << "请输入点数目和边数:" << endl; 
    cin >> G.vexnum >> G.arcnum;//输入顶点数目和边数,空格隔开 
    cout << "请依次输入各个顶点 :" << endl; 
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
	    cin >> G.vertices[i].data;//依次输入各个顶点
	    G.vertices[i].firstarc = NULL;
    }
    char v1, v2;
    for (int k = 0; k < G.arcnum; ++ k) {
    	cin >> v1 >> v2;
    	int i = LocateVex(G, v1);
    	int j = LocateVex(G, v2);
    	ArcNode* p1 = new ArcNode;
    	p1->adjvex = j;
		p1->nextarc = G.vertices[i].firstarc;
		G.vertices[i].firstarc = p1;
		
		ArcNode* p2 = new ArcNode;
    	p2->adjvex = i;
		p2->nextarc = G.vertices[j].firstarc;
		G.vertices[j].firstarc = p2;
	}
	return;
}

void DFS(ALGraph &G, char v)
{
	cout << v << ' ';
	int x = LocateVex(G, v);
	visited[x] = true;
	
	ArcNode* p = G.vertices[x].firstarc;
	while (p)
	{
		int k = p->adjvex;
		if (!visited[k]) DFS(G, G.vertices[k].data);
		p = p->nextarc;
	}
} 

int main()
{
	ALGraph G;
	CreateUDG(G);
	
    char v; cin >> v;//若为非连通图,则删此行,改DFS为DFS_ALL
    DFS(G, v);
	
	return 0;
} 
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  1. 对于非连通图,DFS_ALL函数如下:
void DFS_ALL(ALGraph &G)
{
	for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
		if (!visited[i]) {
			DFS(G, G.vertices[i].data);
		}
	}
	return;
}
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2.1.2 非递归
  1. 从某点开始进行深度优先遍历
void DFS(ALGraph &G, char v)
{	
    stack <char> S;
	S.push(v);
	while (!S.empty()) 
	{
		char ch = S.top(); S.pop();
		int x = LocateVex(G, ch);
		
		if (!visited[x])
		{
			cout << ch << ' ';
		    visited[x] = true;
			ArcNode* p = G.vertices[x].firstarc;
			while (p)
			{
				int k = p->adjvex;
				if (!visited[k])
                    S.push(G.vertices[k].data);
				p = p->nextarc;
			}
		}
	}	
} 
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  1. 对于非连通图,DFS_ALL函数完全同上

运行结果如下:

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2.2、图的广度优先遍历

将DFS非递归中栈改成队列即可,BFS函数如下:(从某点开始)

void BFS(ALGraph &G, char v)
{	
    queue <char> Q;
	Q.push(v);
	while (!Q.empty()) 
	{
		char ch = Q.front(); Q.pop();
		int x = LocateVex(G, ch);
		
		if (!visited[x])
		{
			cout << ch << ' ';
		    visited[x] = true;
			ArcNode* p = G.vertices[x].firstarc;
			while (p)
			{
				int k = p->adjvex;
				if (!visited[k])
                    Q.push(G.vertices[k].data);
				p = p->nextarc;
			}
		}
	}	
} 
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2.3、Prim最小生成树

完整代码如下:

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

const int MVNum = 500, MaxInt = 0x7fffffff;

typedef struct ArcNode
{
	int adjvex, weight;
	struct ArcNode * nextarc; 
}ArcNode;

typedef struct VNode
{
	char data;
	ArcNode * firstarc;
}VNode, AdjList[MVNum];

typedef struct
{
	AdjList vertices;
	int vexnum, arcnum;
}ALGraph;

struct Node 
{
	char adjvex;
	int lowcost;
}closedge[MVNum];

int LocateVex(ALGraph G, char ch)
{
	for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
		if (G.vertices[i].data == ch) return i;
	}
	return 0;
}

void CreateUDG(ALGraph &G)
{
	cout << "请输入点数目和边数:" << endl; 
    cin >> G.vexnum >> G.arcnum;//输入顶点数目和边数,空格隔开 
    cout << "请依次输入各个顶点 :" << endl; 
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
	    cin >> G.vertices[i].data;//依次输入各个顶点
	    G.vertices[i].firstarc = NULL;
    }
    char v1, v2; int w;
    for (int k = 0; k < G.arcnum; ++ k) {
    	cin >> v1 >> v2 >> w;
    	int i = LocateVex(G, v1);
    	int j = LocateVex(G, v2);
    	ArcNode* p1 = new ArcNode;
    	p1->adjvex = j; p1->weight = w;
		p1->nextarc = G.vertices[i].firstarc;
		G.vertices[i].firstarc = p1; 
		
		ArcNode* p2 = new ArcNode;
    	p2->adjvex = i; p2->weight = w;
		p2->nextarc = G.vertices[j].firstarc;
		G.vertices[j].firstarc = p2;
	}
	return;
}

int Min(ALGraph &G)
{
    int res = MaxInt, x = 0;
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
        if (closedge[i].lowcost) {
            if (closedge[i].lowcost < res) {
                res = closedge[i].lowcost; x = i;
            }    
        }
    }
    return x;
}

void MiniSpanTree_Prim(ALGraph &G)
{
    int t = 0; char v;
    cout << "请输入出发点:" << endl; 
    cin >> v;
    int k = LocateVex(G, v); 
    for (int i = 1; i <= G.vexnum; ++ i) {
    	closedge[i].lowcost = MaxInt;
	}
    ArcNode *p = G.vertices[k].firstarc;
    while (p) {
    	closedge[p->adjvex].adjvex = v;
    	closedge[p->adjvex].lowcost = p->weight;
    	p = p->nextarc;
	}
    closedge[k].lowcost = 0;
    for (int i = 1; i < G.vexnum; ++ i)
    {
        k = Min(G);

        char u0 = closedge[k].adjvex;
        char v0 = G.vertices[k].data;
        
        cout << u0 << ' ' << v0 << endl;
        closedge[k].lowcost = 0;
        ArcNode *q = G.vertices[k].firstarc;
        while (q) {
        	if (q->weight < closedge[q->adjvex].lowcost)
        	{
        		closedge[q->adjvex].adjvex = G.vertices[k].data;
        		closedge[q->adjvex].lowcost = q->weight;
			}
			q = q->nextarc;
		}
    }
    
    return;
}

int main()
{
    ALGraph G;
    CreateUDG(G);
    
    MiniSpanTree_Prim(G);
    
    system("pause");

    return 0;
}
/*测试用例:
6 10
ABCDEF
A B 6
A D 5
A C 1
B C 5
B E 3
C D 5
C E 6
C F 4
D F 2
E F 6
*/
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
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运行结果如下:

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