图的广度遍历、深度遍历及最小生成树书算法(Prim、Kruskal)

本文详细介绍了图的深度优先遍历(DFS)和广度优先遍历(BFS)算法,以及用于构建最小生成树的Prim和Kruskal算法。DFS通过堆数据结构辅助实现,而BFS则利用队列进行。Prim算法适用于加权图,Kruskal算法则依据边的权重从小到大连接节点。

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一.DFS(深度优先遍历)

       深度优先搜索算法(Depth-First-Search),是搜索算法的一种。它沿着树的深度遍历树的节点,尽可能深的搜索树的分支。当节点v的所有边都己被探寻过,搜索将回溯到发现节点v的那条边的起始节点。这一过程一直进行到已发现从源节点可达的所有节点为止。如果还存在未被发现的节点,则选择其中一个作为源节点并重复以上过程,整个进程反复进行直到所有节点都被访问为止。DFS 属于盲目搜索。

深度优先搜索是图论中的经典算法,利用深度优先搜索算法可以产生目标图的相应拓扑排序表,利用拓扑排序表可以方便的解决很多相关的图论问题,如最大路径问题等等。一般用堆数据结构来辅助实现 DFS 算法。

深度优先遍历图算法步骤:

  1.  访问顶点v;

  2.  依次从v的未被访问的邻接点出发,对图进行深度优先遍历;直至图中和v有路径相通的顶点都被访问;

  3.  若此时图中尚有顶点未被访问,则从一个未被访问的顶点出发,重新进行深度优先遍历,直到图中所有顶点均被访问过为止。

  上述描述可能比较抽象,举个实例:

  DFS 在访问图中某一起始顶点 v 后,由 v 出发,访问它的任一邻接顶点 w1;再从 w1 出发,访问与 w1 邻 接但还没有访问过的顶点 w2;然后再从 w2 出发,进行类似的访问,… 如此进行下去,直至到达所有的邻接顶点都被访问过的顶点 u 为止。

  接着,退回一步,退到前一次刚访问过的顶点,看是否还有其它没有被访问的邻接顶点。如果有,则访问此顶点,之后再从此顶点出发,进行与前述类似的访问;如果没有,就再退回一步进行搜索。重复上述过程,直到连通图中所有顶点都被访问过为止。

//深度优先遍历:   
void DFSTraverse ( Graph G )  
{  
  visited [0 .. G.vexnum-1] = false;   // 初始化访问标志为未访问(false)   
  for ( v = 0; v < G.vexnum; v ++ )  
    if ( ! visited[v] )  DFS ( G, v );  // 从未被访问的顶点开始DFS   
}  
  
void DFS ( Graph G, int v )  
{  
  visit ( v );  visited [v] = true;   // 访问顶点v并作标记   
  for ( w = FirstAdjVex(G,v); w >= 0; w = NextAdjVex(G,v,w) )  
    if ( ! visited[w] )  DFS ( G, w );  // 分别从每个未访问的邻接点开始DFS   
} 

二.BFS (广度优先遍历)

        广度优先搜索算法(Breadth-First-Search),是一种图形搜索算法。简单的说,BFS 是从根节点开始,沿着树(图)的宽度遍历树(图)的节点。如果所有节点均被访问,则算法中止。BFS 同样属于盲目搜索。一般用队列数据结构来辅助实现 BFS 算法。

  算法步骤:

  1.  首先将根节点放入队列中。

  2.  从队列中取出第一个节点,并检验它是否为目标。

    • 如果找到目标,则结束搜寻并回传结果。
    • 否则将它所有尚未检验过的直接子节点加入队列中。

  3.  若队列为空,表示整张图都检查过了——亦即图中没有欲搜寻的目标。结束搜寻并回传“找不到目标”。

  4.  重复步骤2。

//广度优先遍历:利用队列(类似按层遍历二叉树)。
void BFSTraverse ( Graph G )  
{  
  visited [0 .. G.vexnum-1] = false;   // 初始化访问标志为未访问(false)   
  InitQueue ( Q );  
  for ( v = 0; v < G.vexnum; v++ )  
    if ( ! visited[v] )  
    {
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