【图的三大存储方式】只会用邻接矩阵就out了

本文详细介绍了图的三种主要存储方式:邻接矩阵、邻接表及链式向前星,并对比了各自的优缺点。适用于不同场景下的图存储需求。

前言:
  在存储图的时候,我们第一时间大多都是想到的是用邻接矩阵,但有时候它不一定能很好地解决我们的问题,我们就要考虑使用其他存储方式。



一、简述💦

  对图的操作都需要基于一个存储好的图,图的存储结构必须是一种有序的结构,能够让程序很快定位结点结点 u u u v v v 的边( u u u v v v),我们一般 采用 3 种数据结构存储图:
  邻接矩阵、邻接表链式向前星


二、存储方式

🎈1.邻接矩阵:

邻接矩阵方式的存储基于二维数组的:
int[][] g = new int[N+1][N+1];
g[i][j]表示结点 u u u v v v 的权值,g[i][j] = INF表示 i i i j j j之间无边
对于无向图:g[i][j] = g[j][i];
对于有向图:g[i][j] != g[j][i];
举个例子:
在这里插入图片描述
  对于这个图的存储,结点 1 和 2 的权值为 3,就令g[1][2] = g[2][1] = 3,结点 2 和 5 之间无边,就令g[2][5] = g[5][2] = INF
  常用的做法是初始化所有结点之间的权值都为 INF, 然后根据图去更新各点之间的权值

优点:
  适合稠密图;编码非常简短;对边的存储、查询、更新等操作又快又简单,只需要一步就能访问和修改

缺点:

  1. 存储复杂度 O ( V 2 ) O(V^2) O(V
### 计算中节点度数的方法 在存储结构中,邻接矩阵是一种常见的表示方法。通过邻接矩阵可以方便地计算每个节点的度数。 #### 无向中的节点度数 对于无向,其邻接矩阵是对称的。如果用 \(A\) 表示邻接矩阵,则可以通过统计每一行或每一列中非零元素的数量来得到某个节点的度数[^2]。具体来说: - 节点 \(i\) 的度数等于邻接矩阵第 \(i\) 行(或者第 \(i\) 列)中值为 1 的元素总数。 例如,在 MATLAB 中可以用如下代码实现: ```matlab % 假设 A 是给定的邻接矩阵 degrees = sum(A, 2); % 每一行求和即可获得每个节点的度数 ``` #### 有向中的节点度数 对于有向,其邻接矩阵可能不对称。此时需要分别计算每个节点的 **出度** 和 **入度**[^4]。 - 出度:节点 \(i\) 的出度等于邻接矩阵第 \(i\) 行中值为 1 的元素总数。 - 入度:节点 \(i\) 的入度等于邻接矩阵第 \(i\) 列中值为 1 的元素总数。 同样可以在 MATLAB 或 Python 中实现这一过程。以下是 Python 实现的例子: ```python import numpy as np # 假设 adj_matrix 是给定的邻接矩阵 (numpy 数组形式) out_degrees = np.sum(adj_matrix, axis=1) # 统计每行的总和作为出度 in_degrees = np.sum(adj_matrix, axis=0) # 统计每列的总和作为入度 ``` #### 度矩阵构建 基于以上计算的结果,还可以进一步构建度矩阵。度矩阵是一个对角矩阵,其中对角线上的元素就是对应节点的度数。MATLAB 示例代码如下: ```matlab D = diag(sum(A)); % 构建度矩阵 D ``` Python 示例代码如下: ```python degree_matrix = np.diag(np.sum(adj_matrix, axis=1)) # 使用出度构建度矩阵 ``` --- ### 总结 无论是无向还是有向,都可以通过分析邻接矩阵快速获取节点的度数信息。无向只需关注单一行或一列的数据分布,而有向则需区分行列以分别得出出度和入度的信息。
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