算法系列15天速成——第十五天 圖【下】（大結局）

 

    今天是大結局，說下“圖”的最后一點東西，“最小生成樹“和”最短路徑“。

 

一： 最小生成樹

1. 概念

    首先看如下圖，不知道大家能總結點什么。

    對於一個連通圖G，如果其全部頂點和一部分邊構成一個子圖G1，當G1滿足：

       ① 剛好將圖中所有頂點連通。②頂點不存在回路。則稱G1就是G的“生成樹”。

           其實一句話總結就是：生成樹是將原圖的全部頂點以最小的邊連通的子圖，這不，如下的連通圖可以得到下面的兩個生成樹。

       ② 對於一個帶權的連通圖，當生成的樹不同，各邊上的權值總和也不同，如果某個生成樹的權值最小，則它就是“最小生成樹”。

     

2. 場景

      實際應用中“最小生成樹”還是蠻有實際價值的，教科書上都有這么一句話，若用圖來表示一個交通系統，每一個頂點代表一個城市，

  邊代表兩個城市之間的距離，當有n個城市時，可能會有n(n-1)/2條邊，那么怎么選擇(n-1)條邊來使城市之間的總距離最小，其實它

  的抽象模型就是求“最小生成樹”的問題。

 

3. prim算法

    當然如何求“最小生成樹”問題，前人都已經給我們總結好了，我們只要照葫蘆畫瓢就是了，

    第一步：我們建立集合“V,U"，將圖中的所有頂點全部灌到V集合中，U集合初始為空。

    第二步： 我們將V1放入U集合中並將V1頂點標記為已訪問。此時：U（V1）。

    第三步： 我們尋找V1的鄰接點（V2,V3,V5)，權值中發現(V1,V2)之間的權值最小，此時我們將V2放入U集合中並標記V2為已訪問，

                此時為U（V1，V2）。

    第四步： 我們找U集合中的V1和V2的鄰接邊，一陣痙攣后，發現（V1，V5）的權值最小，此時將V5加入到U集合並標記為已訪問，此時

                 U的集合元素為（V1，V2，V5）。

    第五步：此時我們以（V1，V2，V5）為基准向四周尋找最小權值的鄰接邊，發現（V5，V4）的權值最小，此時將V4加入到U集合並標記

                 為已訪問，此時U的集合元素為（V1，V2，V5，V4）。

    第六步： 跟第五步形式一樣，找到了（V1，V3）的權值最小，將V3加入到U集合中並標記為已訪問，最終U的元素為（V1，V2，V5，V4，V3），

                最終發現頂點全部被訪問，最小生成樹就此誕生。

#region prim算法獲取最小生成樹
        /// <summary>
/// prim算法獲取最小生成樹
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void Prim(MatrixGraph graph, out int sum)
        {
            //已訪問過的標志
            int used = 0;

            //非鄰接頂點標志
            int noadj = -1;

            //定義一個輸出總權值的變量
            sum = 0;

            //臨時數組，用於保存鄰接點的權值
            int[] weight = new int[graph.vertexNum];

            //臨時數組，用於保存頂點信息
            int[] tempvertex = new int[graph.vertexNum];

            //取出鄰接矩陣的第一行數據，也就是取出第一個頂點並將權和邊信息保存於臨時數據中
            for (int i = 1; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                //保存於鄰接點之間的權值
                weight[i] = graph.edges[0, i];

                //等於0則說明V1與該鄰接點沒有邊
                if (weight[i] == short.MaxValue)
                    tempvertex[i] = noadj;
                else
                    tempvertex[i] = int.Parse(graph.vertex[0]);
            }

            //從集合V中取出V1節點，只需要將此節點設置為已訪問過，weight為0集合
            var index = tempvertex[0] = used;
            var min = weight[0] = short.MaxValue;

            //在V的鄰接點中找權值最小的節點
            for (int i = 1; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                index = i;
                min = short.MaxValue;

                for (int j = 1; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    //用於找出當前節點的鄰接點中權值最小的未訪問點
                    if (weight[j] < min && tempvertex[j] != 0)
                    {
                        min = weight[j];
                        index = j;
                    }
                }
                //累加權值
                sum += min;

                Console.Write("({0},{1})  ", tempvertex[index], graph.vertex[index]);

                //將取得的最小節點標識為已訪問
                weight[index] = short.MaxValue;
                tempvertex[index] = 0;

                //從最新的節點出發，將此節點的weight比較賦值
                for (int j = 0; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    //已當前節點為出發點，重新選擇最小邊
                    if (graph.edges[index, j] < weight[j] && tempvertex[j] != used)
                    {
                        weight[j] = graph.edges[index, j];

                        //這里做的目的將較短的邊覆蓋點上一個節點的鄰接點中的較長的邊
                        tempvertex[j] = int.Parse(graph.vertex[index]);
                    }
                }
            }
        }
        #endregion

二： 最短路徑

1.   概念

        求最短路徑問題其實也是非常有實用價值的，映射到交通系統圖中，就是求兩個城市間的最短路徑問題，還是看這張圖，我們可以很容易的看出比如

     V1到圖中各頂點的最短路徑。

      ① V1  ->  V2              直達，     權為2。

      ② V1  ->  V3              直達        權為3。

      ③ V1->V5->V4           中轉       權為3+2=5。

      ④ V1  ->  V5               直達      權為3。

  、

2.  Dijkstra算法

      我們的學習需要站在巨人的肩膀上，那么對於現實中非常復雜的問題，我們肯定不能用肉眼看出來，而是根據一定的算法推導出來的。

  Dijkstra思想遵循 “走一步，看一步”的原則。

     第一步： 我們需要一個集合U，然后將V1放入U集合中，既然走了一步，我們就要看一步，就是比較一下V1的鄰接點（V2，V3，V5），

                 發現（V1，V2）的權值最小，此時我們將V2放入U集合中，表示我們已經找到了V1到V2的最短路徑。

     第二步：然后將V2做中間點，繼續向前尋找權值最小的鄰接點，發現只有V4可以連通，此時修改V4的權值為（V1，V2)+(V2，V4)=6。

                此時我們就要看一步，發現V1到（V3，V4，V5）中權值最小的是（V1，V5），此時將V5放入U集合中，表示我們已經找到了

                V1到V5的最短路徑。

     第三步：然后將V5做中間點，繼續向前尋找權值最小的鄰接點，發現能連通的有V3，V4，當我們正想修該V3的權值時發現（V1，V3）的權值

                小於（V1->V5->V3),此時我們就不修改，將V3放入U集合中，最后我們找到了V1到V3的最短路徑。

     第四步：因為V5還沒有走完，所以繼續用V5做中間點，此時只能連通(V5,V4),當要修改權值的時候，發現原來的V4權值為(V1,V2)+(V2,V4),而

                現在的權值為5，小於先前的6，此時更改原先的權值變為5，將V4放入集合中，最后我們找到了V1到V4的最短路徑。

 

#region dijkstra求出最短路徑
        /// <summary>
/// dijkstra求出最短路徑
/// </summary>
/// <param name="g"></param>
        public void Dijkstra(MatrixGraph g)
        {
            int[] weight = new int[g.vertexNum];

            int[] path = new int[g.vertexNum];

            int[] tempvertex = new int[g.vertexNum];

            Console.WriteLine("\n請輸入源點的編號：");

            //讓用戶輸入要遍歷的起始點
            int vertex = int.Parse(Console.ReadLine()) - 1;

            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                //初始賦權值
                weight[i] = g.edges[vertex, i];

                if (weight[i] < short.MaxValue && weight[i] > 0)
                    path[i] = vertex;

                tempvertex[i] = 0;
            }

            tempvertex[vertex] = 1;
            weight[vertex] = 0;

            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                int min = short.MaxValue;

                int index = vertex;

                for (int j = 0; j < g.vertexNum; j++)
                {
                    //頂點的權值中找出最小的
                    if (tempvertex[j] == 0 && weight[j] < min)
                    {
                        min = weight[j];
                        index = j;
                    }
                }

                tempvertex[index] = 1;

                //以當前的index作為中間點，找出最小的權值
                for (int j = 0; j < g.vertexNum; j++)
                {
                    if (tempvertex[j] == 0 && weight[index] + g.edges[index, j] < weight[j])
                    {
                        weight[j] = weight[index] + g.edges[index, j];
                        path[j] = index;
                    }
                }
            }

            Console.WriteLine("\n頂點{0}到各頂點的最短路徑為：（終點 < 源點） " + g.vertex[vertex]);

            //最后輸出
            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                if (tempvertex[i] == 1)
                {
                    var index = i;

                    while (index != vertex)
                    {
                        var j = index;
                        Console.Write("{0} < ", g.vertex[index]);
                        index = path[index];
                    }
                    Console.WriteLine("{0}\n", g.vertex[index]);
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("{0} <- {1}: 無路徑\n", g.vertex[i], g.vertex[vertex]);
                }
            }
        }
        #endregion

最后上一下總的運行代碼

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace MatrixGraph
{
    public class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            MatrixGraphManager manager = new MatrixGraphManager();

            //創建圖
            MatrixGraph graph = manager.CreateMatrixGraph();

            manager.OutMatrix(graph);

            int sum = 0;

            manager.Prim(graph, out sum);

            Console.WriteLine("\n最小生成樹的權值為：" + sum);

            manager.Dijkstra(graph);

            //Console.Write("廣度遞歸:\t");

//manager.BFSTraverse(graph);

//Console.Write("\n深度遞歸:\t");

//manager.DFSTraverse(graph);

            Console.ReadLine();

        }
    }

    #region 鄰接矩陣的結構圖
    /// <summary>
/// 鄰接矩陣的結構圖
/// </summary>
    public class MatrixGraph
    {
        //保存頂點信息
        public string[] vertex;

        //保存邊信息
        public int[,] edges;

        //深搜和廣搜的遍歷標志
        public bool[] isTrav;

        //頂點數量
        public int vertexNum;

        //邊數量
        public int edgeNum;

        //圖類型
        public int graphType;

        /// <summary>
/// 存儲容量的初始化
/// </summary>
/// <param name="vertexNum"></param>
/// <param name="edgeNum"></param>
/// <param name="graphType"></param>
        public MatrixGraph(int vertexNum, int edgeNum, int graphType)
        {
            this.vertexNum = vertexNum;
            this.edgeNum = edgeNum;
            this.graphType = graphType;

            vertex = new string[vertexNum];
            edges = new int[vertexNum, vertexNum];
            isTrav = new bool[vertexNum];
        }

    }
    #endregion

    /// <summary>
/// 圖的操作類
/// </summary>
    public class MatrixGraphManager
    {
        #region 圖的創建
        /// <summary>
/// 圖的創建
/// </summary>
/// <param name="g"></param>
        public MatrixGraph CreateMatrixGraph()
        {
            Console.WriteLine("請輸入創建圖的頂點個數，邊個數，是否為無向圖(0,1來表示)，已逗號隔開。");

            var initData = Console.ReadLine().Split(',').Select(i => int.Parse(i)).ToList();

            MatrixGraph graph = new MatrixGraph(initData[0], initData[1], initData[2]);

            //我們默認“正無窮大為沒有邊”
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                for (int j = 0; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    graph.edges[i, j] = short.MaxValue;
                }
            }

            Console.WriteLine("請輸入各頂點信息：");

            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                Console.Write("\n第" + (i + 1) + "個頂點為:");

                var single = Console.ReadLine();

                //頂點信息加入集合中
                graph.vertex[i] = single;
            }

            Console.WriteLine("\n請輸入構成兩個頂點的邊和權值，以逗號隔開。\n");

            for (int i = 0; i < graph.edgeNum; i++)
            {
                Console.Write("第" + (i + 1) + "條邊:\t");

                initData = Console.ReadLine().Split(',').Select(j => int.Parse(j)).ToList();

                int start = initData[0];
                int end = initData[1];
                int weight = initData[2];

                //給矩陣指定坐標位置賦值
                graph.edges[start - 1, end - 1] = weight;

                //如果是無向圖，則數據呈“二，四”象限對稱
                if (graph.graphType == 1)
                {
                    graph.edges[end - 1, start - 1] = weight;
                }
            }

            return graph;
        }
        #endregion

        #region 輸出矩陣數據
        /// <summary>
/// 輸出矩陣數據
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void OutMatrix(MatrixGraph graph)
        {
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                for (int j = 0; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    if (graph.edges[i, j] == short.MaxValue)
                        Console.Write("∽\t");
                    else
                        Console.Write(graph.edges[i, j] + "\t");
                }
                //換行
                Console.WriteLine();
            }
        }
        #endregion

        #region 廣度優先
        /// <summary>
/// 廣度優先
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void BFSTraverse(MatrixGraph graph)
        {
            //訪問標記默認初始化
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                graph.isTrav[i] = false;
            }

            //遍歷每個頂點
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                //廣度遍歷未訪問過的頂點
                if (!graph.isTrav[i])
                {
                    BFSM(ref graph, i);
                }
            }
        }

        /// <summary>
/// 廣度遍歷具體算法
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void BFSM(ref MatrixGraph graph, int vertex)
        {
            //這里就用系統的隊列
            Queue<int> queue = new Queue<int>();

            //先把頂點入隊
            queue.Enqueue(vertex);

            //標記此頂點已經被訪問
            graph.isTrav[vertex] = true;

            //輸出頂點
            Console.Write(" ->" + graph.vertex[vertex]);

            //廣度遍歷頂點的鄰接點
            while (queue.Count != 0)
            {
                var temp = queue.Dequeue();

                //遍歷矩陣的橫坐標
                for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
                {
                    if (!graph.isTrav[i] && graph.edges[temp, i] != 0)
                    {
                        graph.isTrav[i] = true;

                        queue.Enqueue(i);

                        //輸出未被訪問的頂點
                        Console.Write(" ->" + graph.vertex[i]);
                    }
                }
            }
        }
        #endregion

        #region 深度優先
        /// <summary>
/// 深度優先
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void DFSTraverse(MatrixGraph graph)
        {
            //訪問標記默認初始化
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                graph.isTrav[i] = false;
            }

            //遍歷每個頂點
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                //廣度遍歷未訪問過的頂點
                if (!graph.isTrav[i])
                {
                    DFSM(ref graph, i);
                }
            }
        }

        #region 深度遞歸的具體算法
        /// <summary>
/// 深度遞歸的具體算法
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
/// <param name="vertex"></param>
        public void DFSM(ref MatrixGraph graph, int vertex)
        {
            Console.Write("->" + graph.vertex[vertex]);

            //標記為已訪問
            graph.isTrav[vertex] = true;

            //要遍歷的六個點
            for (int i = 0; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                if (graph.isTrav[i] == false && graph.edges[vertex, i] != 0)
                {
                    //深度遞歸
                    DFSM(ref graph, i);
                }
            }
        }
        #endregion
        #endregion

        #region prim算法獲取最小生成樹
        /// <summary>
/// prim算法獲取最小生成樹
/// </summary>
/// <param name="graph"></param>
        public void Prim(MatrixGraph graph, out int sum)
        {
            //已訪問過的標志
            int used = 0;

            //非鄰接頂點標志
            int noadj = -1;

            //定義一個輸出總權值的變量
            sum = 0;

            //臨時數組，用於保存鄰接點的權值
            int[] weight = new int[graph.vertexNum];

            //臨時數組，用於保存頂點信息
            int[] tempvertex = new int[graph.vertexNum];

            //取出鄰接矩陣的第一行數據，也就是取出第一個頂點並將權和邊信息保存於臨時數據中
            for (int i = 1; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                //保存於鄰接點之間的權值
                weight[i] = graph.edges[0, i];

                //等於0則說明V1與該鄰接點沒有邊
                if (weight[i] == short.MaxValue)
                    tempvertex[i] = noadj;
                else
                    tempvertex[i] = int.Parse(graph.vertex[0]);
            }

            //從集合V中取出V1節點，只需要將此節點設置為已訪問過，weight為0集合
            var index = tempvertex[0] = used;
            var min = weight[0] = short.MaxValue;

            //在V的鄰接點中找權值最小的節點
            for (int i = 1; i < graph.vertexNum; i++)
            {
                index = i;
                min = short.MaxValue;

                for (int j = 1; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    //用於找出當前節點的鄰接點中權值最小的未訪問點
                    if (weight[j] < min && tempvertex[j] != 0)
                    {
                        min = weight[j];
                        index = j;
                    }
                }
                //累加權值
                sum += min;

                Console.Write("({0},{1})  ", tempvertex[index], graph.vertex[index]);

                //將取得的最小節點標識為已訪問
                weight[index] = short.MaxValue;
                tempvertex[index] = 0;

                //從最新的節點出發，將此節點的weight比較賦值
                for (int j = 0; j < graph.vertexNum; j++)
                {
                    //已當前節點為出發點，重新選擇最小邊
                    if (graph.edges[index, j] < weight[j] && tempvertex[j] != used)
                    {
                        weight[j] = graph.edges[index, j];

                        //這里做的目的將較短的邊覆蓋點上一個節點的鄰接點中的較長的邊
                        tempvertex[j] = int.Parse(graph.vertex[index]);
                    }
                }
            }
        }
        #endregion

        #region dijkstra求出最短路徑
        /// <summary>
/// dijkstra求出最短路徑
/// </summary>
/// <param name="g"></param>
        public void Dijkstra(MatrixGraph g)
        {
            int[] weight = new int[g.vertexNum];

            int[] path = new int[g.vertexNum];

            int[] tempvertex = new int[g.vertexNum];

            Console.WriteLine("\n請輸入源點的編號：");

            //讓用戶輸入要遍歷的起始點
            int vertex = int.Parse(Console.ReadLine()) - 1;

            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                //初始賦權值
                weight[i] = g.edges[vertex, i];

                if (weight[i] < short.MaxValue && weight[i] > 0)
                    path[i] = vertex;

                tempvertex[i] = 0;
            }

            tempvertex[vertex] = 1;
            weight[vertex] = 0;

            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                int min = short.MaxValue;

                int index = vertex;

                for (int j = 0; j < g.vertexNum; j++)
                {
                    //頂點的權值中找出最小的
                    if (tempvertex[j] == 0 && weight[j] < min)
                    {
                        min = weight[j];
                        index = j;
                    }
                }

                tempvertex[index] = 1;

                //以當前的index作為中間點，找出最小的權值
                for (int j = 0; j < g.vertexNum; j++)
                {
                    if (tempvertex[j] == 0 && weight[index] + g.edges[index, j] < weight[j])
                    {
                        weight[j] = weight[index] + g.edges[index, j];
                        path[j] = index;
                    }
                }
            }

            Console.WriteLine("\n頂點{0}到各頂點的最短路徑為：（終點 < 源點） " + g.vertex[vertex]);

            //最后輸出
            for (int i = 0; i < g.vertexNum; i++)
            {
                if (tempvertex[i] == 1)
                {
                    var index = i;

                    while (index != vertex)
                    {
                        var j = index;
                        Console.Write("{0} < ", g.vertex[index]);
                        index = path[index];
                    }
                    Console.WriteLine("{0}\n", g.vertex[index]);
                }
                else
                {
                    Console.WriteLine("{0} <- {1}: 無路徑\n", g.vertex[i], g.vertex[vertex]);
                }
            }
        }
        #endregion
    }
}

 

算法速成系列至此就全部結束了，公司給我們的算法培訓也於上周五結束，呵呵，趕一下同步。最后希望大家能對算法重視起來，

學好算法，終身收益。