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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

image-20240127165053405

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

image-20240127220442655

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

  1. 入队与出队 push():入队

  2. pop():出队

  3. 获取队首元素 front():获取队首元素

  4. 判空 empty():判断是否为空

  5. 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

  1. 初始的时候把起始点放到队列中,并标记起点访问。
  2. 如果队列不为空,从队列中取出一个元素x,否则算法结束。
  3. 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
  4. 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

image-20240127231358902

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

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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

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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

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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

image-20240202151125757

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;
}

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树与图的广度优先遍历

例题

1.图中点的层次

题目

image-20240202211644140

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

  1. 针对有向图,无向图没有拓扑序列
  2. 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。 image-20240204204100471
  3. 每条边从前指向后
  4. 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

image-20240204203633951

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++;
    }
}

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