深度优先搜索dfs
深搜概述
深度优先搜索dfs:按照深度优先的方式进行搜索,"一条路走到黑"。
深度优先搜索和递归的区别:深度优先搜索是一种算法,注重的是思想,而递归是一种基于编程语言的实现方式
例题
1.排列数字
题目
代码
C++
#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 10;
int n;
int path[N]; //记录方案
bool st[N]; //记录状态(这个数字是否被使用过)true表示用过
void dfs(int u){
if(u == n){
for (int i = 0;i < n;i++)
{
printf("%d ",path[i]);
}
printf("\n");
return; //回溯
}
for(int i = 1;i <= n;i++){
if(!st[i]){
path[u] = i; //没有被使用
st[i] = true;
dfs(u+1);//下一层
//path[u] = 0;//恢复现场
st[i] = false;
}
}
}
int main()
{
cin>>n;
dfs(0);
return 0;
}
2.枚举元组B3621
题目
代码
c++
#include<iostream>
using namespace std;
const int N = 10;
int n,k;
int path[N];
void dfs(int u) {
if (u == n) {
for (int i = 0; i < n; i++)
cout << path[i] << " ";
cout << endl;
return;
}
for (int i = 1; i <= k; i++) {
path[u] = i;
dfs(u + 1);
}
}
int main() {
cin >> n >> k;
dfs(0);
return 0;
}
广(宽)度优先搜索BFS
队列queue
1、概述
队列(queue):是一种运算受限制的线性表。其限制只允许从表的队首进行删除操作,而在表的队尾进行插入操作。特点:先进先出
队列的插入操作又叫入队,队列的删除操作又叫出队。
2、构造
#include "queue"
using namespace std;
int main() {
queue<int> q;
return 0;
}
3、使用
入队与出队 push():入队
pop():出队
获取队首元素 front():获取队首元素
判空 empty():判断是否为空
清空 清空一个队列,需要手动清空。
while(!q.empty()) { q.pop(); }
广度优先搜索BFS
1、广度优先搜索BFS概述
广度优先搜索bfs:与深度优先搜索不同的是,广度优先搜索会先将与起始点距离较近的点搜索完毕,再继续搜索较远的点,而深搜却是沿着一个分支搜到最后。
bfs 从起点开始,优先搜索离起点最近的点,然后由这个最近的点扩展其他稍近的点,这样一层一层的扩展。
边权 = 1
2、广度优先搜索BFS步骤
BFS需要借助队列来实现
- 初始的时候把起始点放到队列中,并标记起点访问。
- 如果队列不为空,从队列中取出一个元素
x
,否则算法结束。 - 访问和
x
相连的所有点v
,如果v
没有被访问,把v
入队,并标记已经访问 - 重复执行步骤2。
c++
void bfs(起始点) {
将起始点放入队列中;
标记起点访问;
while(如果队列不为空) {
访问队首元素x;
删除队首元素;
for(x的相邻点v) {
if(v没被标记) {
v加入队尾并标记;
}
}
}
队列为空,宽搜结束;
}
例题
1.走迷宫
题目
代码
c++
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <queue>
using namespace std;
typedef pair<int, int> PII; //pair<int, int> 是 C++ 中的标准库类型,用于表示两个值的有序对。
const int N = 110;
int n, m;
int g[N][N], d[N][N];
int bfs()
{
queue<PII> q;
queue<pair<int,int>> q;
memset(d, -1, sizeof d);
d[0][0] = 0;
q.push({0, 0});
int dx[4] = {-1, 0, 1, 0}, dy[4] = {0, 1, 0, -1};
while (q.size())
{
auto t = q.front();
q.pop();
for (int i = 0; i < 4; i ++ )
{
int x = t.first + dx[i], y = t.second + dy[i];
if (x >= 0 && x < n && y >= 0 && y < m && g[x][y] == 0 && d[x][y] == -1)
{
d[x][y] = d[t.first][t.second] + 1;
q.push({x, y});
}
}
}
return d[n - 1][m - 1];
}
int main()
{
cin >> n >> m;
for (int i = 0; i < n; i ++ )
for (int j = 0; j < m; j ++ )
cin >> g[i][j];
cout << bfs() << endl;
return 0;
}
2.八数码
题目
代码
c++
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <queue>
#include <unordered_map>
using namespace std;
int bfs(string start)
{
string end = "12345678x";
queue<string> q;
unordered_map<string, int> d;
q.push(start); //start 存 队列
d[start] = 0; //起点到起点 = 0 初始化
int dx[4] = {-1, 0, 1, 0}, dy[4] = {0, 1, 0, -1};
while(q.size())
{
auto t = q.front();//存队首
q.pop();
int distance = d[t];//记录步数
if(t == end) return distance;
// 状态转移 // 一维变二维
int k = t.find('x');
int x = k /3;
int y = k %3;
for(int i = 0; i < 4; i++)
{
int a = x + dx[i],b = y + dy[i]; //记录 x 周围的
if(a >= 0 && a < 3 && b >= 0 && b < 3)
{
swap(t[k],t[a*3+b]);//交换 x 和 周围的数字 状态更新
if(!d.count(t))// 没有找到过的一个 //交换之后查哈希表,发现没有之前没有出现该字符串,就将“最少交换次数”更新;
{
d[t] = distance + 1;
q.push(t); //把新的状态加入队列
}
swap(t[k],t[a*3+b]); //状态恢复
}
}
}
return -1;
}
int main()
{
string start;
for(int i = 0 ;i < 9;i++)
{
char c;
cin>>c;
start +=c;
}
cout<<bfs(start)<<endl;
}
3.B3626跳跃机器人
题目
代码
c++
#include <iostream>
#include <queue>
#include <cstring>
using namespace std;
const int N = 1000000;
bool book[N];
int n;
struct node {
int x,step;
};
//不越界,并且这个点没有访问过
bool judge(int x) {
return x >= 1 && x <= n && !book[x];
}
int bfs(int a) {
queue<node> q;
q.push({1,0});
book[0] = true;
while (!q.empty()) {
auto t = q.front();
q.pop();
int dx[] = {-1,1,t.x};
for (int i = 0; i < 3; i++) {
int tx = t.x + dx[i];
if (judge(tx)) {
book[tx] = true;
q.push({tx, t.step + 1}); //步数更新+1
if (tx == n) { //走到终点
return t.step + 1;
}
}
}
}
return -1; // 没有找到路径
}
int main() {
memset(book, false, sizeof(book));
cin >> n;
int result1 = bfs(n);
cout << result1 << endl;
return 0;
}
4.P1747 好奇怪的游戏
题目
代码
c++
#include <iostream>
#include <queue>
#include <cstring>
using namespace std;
const int N = 20;
bool book[N][N];//标记
int m, n, p, q;
//马不仅可以走日,也可以走田,所以一共有12个方向
int dx[] = {-1, -2, -2, -2, -2, -1, 1, 2, 2, 2, 2, 1};
int dy[] = {2, 2, 1, -1, -2, -2, -2, -2, -1, 1, 2, 2};
struct node {
int x, y, step;
};
//不越界,并且这个点没有访问过
bool judge(int x, int y) {
return x >= 1 && x <= N && y >= 1 && y <= N && !book[x][y];
}
int bfs(int a, int b) {
queue<node> q;
q.push({a, b, 0}); //开始的点(a,b)开始到开始的距离
book[a][b] = true;
while (!q.empty()) {
auto t = q.front();
q.pop();
for (int i = 0; i < 12; i++) { //找下一个点
int tx = t.x + dx[i];
int ty = t.y + dy[i];
if (judge(tx, ty)) {
book[tx][ty] = true;
q.push({tx, ty, t.step + 1}); //步数更新+1
if (tx == 1 && ty == 1) { //走到终点
return t.step + 1;
}
}
}
}
return -1; // 没有找到路径
}
int main() {
memset(book, false, sizeof(book));
cin >> m >> n;
int result1 = bfs(m, n);
memset(book, false, sizeof(book));
cin >> p >> q;
int result2 = bfs(p, q);
cout << result1 << endl;
cout << result2 << endl;
return 0;
}
树与图的深度优先遍历
例题
1.树的重心
题目
代码
c++
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int N = 100010, M = N *2;
int h[N]; //h[] 表示节点索引 //head
int e[M]; //e[] 表示idx条边的结束节点是什么 节点的值
int ne[M]; //ne[] 表示idx条边的同起点的下一条边的idx 节点的next指针
int idx; //idx表示边的索引
bool st[N]; //标记是否遍历
int n,m;
int ans = N;
void add(int a,int b)
{
e[idx] = b;
ne[idx] = h[a];
h[a] = idx++;
}
//以u为根的子树中点的数量
int dfs(int u)
{
st[u] = true; //标记已经被搜过
int sum = 1;//当前子树的大小(节点数)
int res = 0;// 删除该点,每一个连通块的最大值
for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) //遍历u的所有初边
{
int j = e[i];
if (!st[j])
{
int s = dfs(j); //当前子树的大小
res = max(s,res);
sum +=s; //除了去掉的那个节点的,还剩下的节点数
}
}
res = max(n-sum,res);
ans = min(ans,res);
return sum;
}
int main()
{
cin >> n;
// 将链表的每个节点都重置为-1, 表示链表节点的终点
memset(h,-1,sizeof h);
for(int i = 0;i <n-1;i++)
{
int a,b;
cin>>a>>b;
add(a,b);
add(b,a); //无向边双向连通
}
dfs(1);//从节点1开始搜索(从哪个都行)
cout<<ans<<endl;
}
树与图的广度优先遍历
例题
1.图中点的层次
题目
代码
c++
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <queue>
using namespace std;
const int N = 100010, M = N *2;
int h[N]; //h[] 表示节点索引 //head
int e[M]; //e[] 表示idx条边的结束节点是什么 节点的值
int ne[M]; //ne[] 表示idx条边的同起点的下一条边的idx 节点的next指针
int idx; //idx表示边的索引
bool st[N]; //标记是否遍历
int n,m;
int d[N];
void add(int a,int b)
{
e[idx] = b,ne[idx] = h[a],h[a] = idx++;
}
int bfs()
{
queue<int> q;
st[1] = true; // 表示1号点已经被遍历过
q.push(1);
memset(d,-1,sizeof d);
d[1] = 0;
while (q.size()) {
int t = q.front();
q.pop();
for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
{
int j = e[i];
if (!st[j])
{
st[j] = true; // 表示点j已经被遍历过
d[j] = d[t] + 1;
q.push(j);
}
}
}
return d[n];
}
int main()
{
cin >> n >> m;
memset(h,-1,sizeof h);
for(int i = 0;i <m;i++)
{
int a,b;
cin>>a>>b;
add(a,b);
}
cout<<bfs()<<endl;
}
拓扑排序
- 针对有向图,无向图没有拓扑序列
- 若一个由图中所有点构成的序列 A满足:对于图中的每条边 (x,y),x 在 A中都出现在 y之前,则称 A是该图的一个拓扑序列。
- 每条边从前指向后
- 不是所有的图都有拓扑序列(有环的图)即有向无环图 - > 拓扑图
例题
1.有向图的拓扑序列
题目
代码
c++
#include <cstring>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 100010;
int n,m;
int h[N],e[N],ne[N],idx;
int q[N],d[N];
void add(int a,int b) {
e[++idx] = b;
ne[idx] = h[a];
h[a] = idx;
}
bool topsort()
{
int hh = 0,tt = -1;
for(int i = 1;i<=n;i++)
{
if(!d[i])
{
q[ ++tt] = i;
}
}
while (hh <<tt)
{
int t = q[hh++];
for(int i = h[t];i!=-1;i = ne[i])
{
int j = e[i];
d[j] --;
if (d[j] == 0)
{
q[++t] = j;
}
}
}
return tt == n-1;
}
int main()
{
cin>>n>>m;
memset(h,-1,sizeof h);
for(int i = 0;i < m;i++)
{
int a,b;
cin>>a>>b;
add(a,b);
}
if (topsort())
{
for(int i = 0;i<n;i++)
{
cout<<q[i]<<" ";
}
}
else puts("-1");
return 0;
}
模板
树与图的存储
树是一种特殊的图,与图的存储方式相同。 对于无向图中的边ab,存储两条有向边a->b, b->a。 因此我们可以只考虑有向图的存储。
(1) 邻接矩阵:g[a][b]
存储边a->b
(2) 邻接表:
c++
// 对于每个点k,开一个单链表,存储k所有可以走到的点。h[k]存储这个单链表的头结点
int h[N], e[N], ne[N], idx;
// 添加一条边a->b
void add(int a, int b) {
e[idx] = b, ne[idx] = h[a], h[a] = idx++;
}
// 初始化
idx = 0;
memset(h, -1, sizeof h);
树与图的遍历
深度优先遍历
c++
int dfs(int u) {
st[u] = true; // st[u] 表示点u已经被遍历过
for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (!st[j]) dfs(j);
}
}
宽度优先遍历
c++
queue<int> q;
st[1] = true; // 表示1号点已经被遍历过
q.push(1);
while (q.size()) {
int t = q.front();
q.pop();
for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (!st[j]) {
st[j] = true; // 表示点j已经被遍历过
q.push(j);
}
}
}
拓扑排序
c++
bool topsort() {
int hh = 0, tt = -1;
// d[i] 存储点i的入度
for (int i = 1; i <= n; i++)
if (!d[i])
q[++tt] = i;
while (hh <= tt) {
int t = q[hh++];
for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (--d[j] == 0)
q[++tt] = j;
}
}
// 如果所有点都入队了,说明存在拓扑序列;否则不存在拓扑序列。
return tt == n - 1;
}
最短路算法
朴素dijkstra算法
c++
int g[N][N]; // 存储每条边
int dist[N]; // 存储1号点到每个点的最短距离
bool st[N]; // 存储每个点的最短路是否已经确定
// 求1号点到n号点的最短路,如果不存在则返回-1
int dijkstra() {
memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
dist[1] = 0;
for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
int t = -1; // 在还未确定最短路的点中,寻找距离最小的点
for (int j = 1; j <= n; j++)
if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
t = j;
// 用t更新其他点的距离
for (int j = 1; j <= n; j++)
dist[j] = min(dist[j], dist[t] + g[t][j]);
st[t] = true;
}
if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
return dist[n];
}
堆优化版dijkstra
c++
typedef pair<int, int> PII;
int n; // 点的数量
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx; // 邻接表存储所有边
int dist[N]; // 存储所有点到1号点的距离
bool st[N]; // 存储每个点的最短距离是否已确定
// 求1号点到n号点的最短距离,如果不存在,则返回-1
int dijkstra() {
memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
dist[1] = 0;
priority_queue <PII, vector<PII>, greater<PII>> heap;
heap.push({0, 1}); // first存储距离,second存储节点编号
while (heap.size()) {
auto t = heap.top();
heap.pop();
int ver = t.second, distance = t.first;
if (st[ver]) continue;
st[ver] = true;
for (int i = h[ver]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (dist[j] > distance + w[i]) {
dist[j] = distance + w[i];
heap.push({dist[j], j});
}
}
}
if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
return dist[n];
}
Bellman-Ford算法
c++
int n, m; // n表示点数,m表示边数
int dist[N]; // dist[x]存储1到x的最短路距离
struct Edge // 边,a表示出点,b表示入点,w表示边的权重
{
int a, b, w;
} edges[M];
// 求1到n的最短路距离,如果无法从1走到n,则返回-1。
int bellman_ford() {
memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
dist[1] = 0;
// 如果第n次迭代仍然会松弛三角不等式,就说明存在一条长度是n+1的最短路径,由抽屉原理,路径中至少存在两个相同的点,说明图中存在负权回路。
for (int i = 0; i < n; i++) {
for (int j = 0; j < m; j++) {
int a = edges[j].a, b = edges[j].b, w = edges[j].w;
if (dist[b] > dist[a] + w)
dist[b] = dist[a] + w;
}
}
if (dist[n] > 0x3f3f3f3f / 2) return -1;
return dist[n];
}
spfa 算法(队列优化的Bellman-Ford算法)
c++
nt n; // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx; // 邻接表存储所有边
int dist[N]; // 存储每个点到1号点的最短距离
bool st[N]; // 存储每个点是否在队列中
// 求1号点到n号点的最短路距离,如果从1号点无法走到n号点则返回-1
int spfa() {
memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
dist[1] = 0;
queue<int> q;
q.push(1);
st[1] = true;
while (q.size()) {
auto t = q.front();
q.pop();
st[t] = false;
for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (dist[j] > dist[t] + w[i]) {
dist[j] = dist[t] + w[i];
// 如果队列中已存在j,则不需要将j重复插入
if (!st[j]) {
q.push(j);
st[j] = true;
}
}
}
}
if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
return dist[n];
}
spfa判断图中是否存在负环
c++
int n; // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx; // 邻接表存储所有边
int dist[N], cnt[N]; // dist[x]存储1号点到x的最短距离,cnt[x]存储1到x的最短路中经过的点数
bool st[N]; // 存储每个点是否在队列中
// 如果存在负环,则返回true,否则返回false。
bool spfa() {
// 不需要初始化dist数组
// 原理:如果某条最短路径上有n个点(除了自己),那么加上自己之后一共有n+1个点,由抽屉原理一定有两个点相同,所以存在环。
queue<int> q;
for (int i = 1; i <= n; i++) {
q.push(i);
st[i] = true;
}
while (q.size()) {
auto t = q.front();
q.pop();
st[t] = false;
for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (dist[j] > dist[t] + w[i]) {
dist[j] = dist[t] + w[i];
cnt[j] = cnt[t] + 1;
// 如果从1号点到x的最短路中包含至少n个点(不包括自己),则说明存在环
if (cnt[j] >= n) return true;
if (!st[j]) {
q.push(j);
st[j] = true;
}
}
}
}
return false;
}
Floyd算法
c++
初始化:
for (int i = 1; i <= n; i ++ )
for (int j = 1; j <= n; j ++ )
if (i == j) d[i][j] = 0;
else d[i][j] = INF;
// 算法结束后,d[a][b]表示a到b的最短距离
void floyd() {
for (int k = 1; k <= n; k ++ )
for (int i = 1; i <= n; i ++ )
for (int j = 1; j <= n; j ++ )
d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
}
最小生成树
朴素版prim算法
c++
int n; // n表示点数
int g[N][N]; // 邻接矩阵,存储所有边
int dist[N]; // 存储其他点到当前最小生成树的距离
bool st[N]; // 存储每个点是否已经在生成树中
// 如果图不连通,则返回INF(值是0x3f3f3f3f), 否则返回最小生成树的树边权重之和
int prim() {
memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
int res = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
int t = -1;
for (int j = 1; j <= n; j++)
if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
t = j;
if (i && dist[t] == INF) return INF;
if (i) res += dist[t];
st[t] = true;
for (int j = 1; j <= n; j++) dist[j] = min(dist[j], g[t][j]);
}
return res;
}
Kruskal算法
c++
int n, m; // n是点数,m是边数
int p[N]; // 并查集的父节点数组
struct Edge // 存储边
{
int a, b, w;
bool operator<(const Edge &W) const {
return w < W.w;
}
} edges[M];
int find(int x) // 并查集核心操作
{
if (p[x] != x) p[x] = find(p[x]);
return p[x];
}
int kruskal() {
sort(edges, edges + m);
for (int i = 1; i <= n; i++) p[i] = i; // 初始化并查集
int res = 0, cnt = 0;
for (int i = 0; i < m; i++) {
int a = edges[i].a, b = edges[i].b, w = edges[i].w;
a = find(a), b = find(b);
if (a != b) // 如果两个连通块不连通,则将这两个连通块合并
{
p[a] = b;
res += w;
cnt++;
}
}
if (cnt < n - 1) return INF;
return res;
}
二分图
染色法判别二分图
c++
int n; // n表示点数
int h[N], e[M], ne[M], idx; // 邻接表存储图
int color[N]; // 表示每个点的颜色,-1表示未染色,0表示白色,1表示黑色
// 参数:u表示当前节点,c表示当前点的颜色
bool dfs(int u, int c) {
color[u] = c;
for (int i = h[u]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (color[j] == -1) {
if (!dfs(j, !c)) return false;
} else if (color[j] == c) return false;
}
return true;
}
bool check() {
memset(color, -1, sizeof color);
bool flag = true;
for (int i = 1; i <= n; i++)
if (color[i] == -1)
if (!dfs(i, 0)) {
flag = false;
break;
}
return flag;
}
匈牙利算法
c++
int n1, n2; // n1表示第一个集合中的点数,n2表示第二个集合中的点数
int h[N], e[M], ne[M], idx; // 邻接表存储所有边,匈牙利算法中只会用到从第一个集合指向第二个集合的边,所以这里只用存一个方向的边
int match[N]; // 存储第二个集合中的每个点当前匹配的第一个集合中的点是哪个
bool st[N]; // 表示第二个集合中的每个点是否已经被遍历过
bool find(int x) {
for (int i = h[x]; i != -1; i = ne[i]) {
int j = e[i];
if (!st[j]) {
st[j] = true;
if (match[j] == 0 || find(match[j])) {
match[j] = x;
return true;
}
}
}
return false;
}
// 求最大匹配数,依次枚举第一个集合中的每个点能否匹配第二个集合中的点
int main() {
int res = 0;
for (int i = 1; i <= n1; i++) {
memset(st, false, sizeof st);
if (find(i)) res++;
}
}