邻接表和邻接矩阵

进入图论的大门(深渊)之前,我们一定要掌握的两种必备手段——邻接表和邻接矩阵,此刻将成为我们的巨大帮手(其实做不来题还是做不来),下面让我们来学习一下,这两种存图方式在计算机中,该如何应用

1.邻接矩阵:就是一个二维数组,大小为dis[n][n](n为边数),其中dis[i][j]表示顶点i到顶点j的距离,可以看出,邻接表的空间复杂度为O(n^2),那怎么存边呢?如下:

for(int i = 0; i < m; i++)
{
    cin>>u>>v>>w;
    dis[u][v] = w;
    dis[v][u] = w;    //不是双向图可以把这句注释掉
}

以上表示在有m条边的图中,顶点u->v有一条权值为w的边,双向图加上v->u权值也为w

可以写一个邻接矩阵的初始化:

#define inf 0x3f3f3f3f
memset(dis,inf,sizeof dis);    //距离初始化为正无穷
for(int i = 1; i <= n; i++)    //边从1开始编号,1~n
    dis[i][i] = 0;            //自己到自己的距离为0

2.邻接表:邻接表是一部分人理解的难点,它的思想是,对每一个顶点,创建一个表,链接其所有出边,如下图: 

 假设存在这样的图:(u v w一组数表示顶点u到顶点v存在一条权值为w的边)

4 5        //4个顶点,5条边
1 4 9
4 3 8
1 2 5
2 4 6
1 3 7

于是我们可以画一个这样的图(图片来源:啊哈算法):

这是个什么意思呢?这里我们用五个三个数组u[],v[],w[],first[],next[]来记录每一条边的信息,其实邻接表就是记录边的信息啊,所以我们来看看这些数组是什么意思:

首先我们对所有m条边进行编号,1~m,first[i]用来存顶点i的最后一条出边的编号next[i]用来存编号为i的边的上一条边的编号,u[],v[]是顶点集合,w[]是边权集合,u[i],v[i],w[i]表示第i条边是从顶点v[i] -> 顶点u[i],权值为w[i]的边,其实现在也说不明白,那我们就一步步模拟此过程:

根据输入的顺序,可以将边编号1~5:

4 5        //4个顶点,5条边
1 4 9        //1
4 3 8        //2
1 2 5        //3
2 4 6        //4
1 3 7        //5

 第一条边存入:u[1] = 1,v[1] = 4,w[1] = 9,next[1] = first[u[1]],(先保存上一条边编号),first[u[1]] = 1;

第二条边存入:u[2] = 4,v[2] = 3,w[2] = 8,next[2] = first[u[2]],first[u[2]] = 2;

第三条边存入:u[3] = 1,v[3] = 2,w[3] = 5,next[3] = first[u[3]],first[u[3]] = 3;

第四条边存入:u[4] = 2,v[4] = 4,w[4] = 6,next[4] = first[u[4]],first[u[4]] = 4;

第五条边存入:u[5] = 1,v[5] = 3,w[5] = 7,next[5] = first[u[5]],first[u[5]] = 5;

最后解释一下,这么存的妙处在什么地方:

首先我们说了,first[i]表示顶点u[i]的最后一条出边的编号,注意是编号!那么,对于每一条输入的边,first[u[i]]就是以顶点u[i]为起点的边的编号,那么next[i] = first[u[i]]则表示,对于第i条边,next[i]保存的是以u[i]为起点的上一条边的编号,为何是上一条边?因为注意语句顺序,在next[i] = first[u[i]]执行完立即执行first[u[i]] = i,也就是将上一条输入的边的编号信息从first[]转移到next[]数组上了,first[]就可以存当前边的信息了,这样,我们通过first[]和next[]就可以遍历整个图了,过程如下图:

比如我们要找顶点1的所有出边,首先找到first[1],然后根据next[first[1]]找到上一条边的编号,再通过next[next[first[1]]找到再上一条边的编号,一直继续搜索下去直到next[1] = -1为止,说明此时已遍历1号顶点所有出边(因为在没插入边的时候,head[1] = -1,而-1的值赋给了next[1],找到-1说明不存在上一条边了)

是不是很神奇!但是我们这里为了组织边的时候看起来更具有整体性,不用五个数组存边,我们用一个结构体+head[]的形式,其中head[]就是上文的first[],代码如下:

#define maxn 5250    //最大边数
#define vertex 505   //最大点数

struct node
{
    int to,v,next;
}e[maxn];

int head[vertex+1],cnt;

void init()            //初始化操作
{
    cnt = 0;
    memset(head,-1,sizeof head);
}

void addedge(int u,int v,int w)    //加边操作
{
    e[cnt].to = v;
    e[cnt].v = w;
    e[cnt].next = head[u];
    head[u] = cnt++;
}

for(int i = 1; i <= vertex; i++)    //遍历所有顶点的所有出边;
{
    for(int j = head[i]; j != -1; j = e[j].next)    //从head[i],通过不断找next[j],来遍历顶点i的所有出边;
    {
        cout<<i<<" "<<e[i].to<<" "<<e[i].v<<endl;
    }
}

看起来很高大上?其实并没有,只是将v[]换成结构体的to成员,w[]换成结构体的v成员,next[]换成结构体的next成员,(结构体数组相当于成员数组的集合嘛),first[]换成head[]而已, 那么有人就要问了,为什么不用u[]呢?因为这样存边在大多情况下,不需要用到u[],具体原因可以具体考虑,当然加上u成员也无妨只是多一点空间开销嘛,比如在Bellman-Ford算法中u成员将会带来很大的便利,还是要看使用情况而定的

当然,还有更直接,更接近于链表形式的邻接表表示法,那就是利用STL中的vector存一个图,这样的邻接表更易理解和使用,但是传说中有些题目可能卡vector而必须用数组模拟的方式写过,目前我还没有遇见这样的题目,但是这里还是介绍一下vector存图的方法(并且建议使用该方法):

首先明确,vector实质上是一个动态数组的玩意儿,就是不定长数组,根据需要分配空间的意思,关于vector的使用方法,由于篇幅有限,只介绍几个常用的:

#include<vector>
using namespace std;

vector<int> a;

a[0];                //直接按下标访问元素(不会检查是否越界)
a.push_back(3);    //将元素3插入数组最后
a.pop_back();     //删除数组中最后一个元素
a.insert(a.begin(),5);        //两个参数,插入位置,插入元素值
a.erase(a.end());          //一个参数,要删除的位置
a.empty();        //判断数组是否为空
a.clear();        //清空数组
a.size();        //返回数组此刻长度
a.begin();        //迭代器指针
a.end();           //迭代器尾指针
a.cbegin();        //常量头指针
a.cend();            //常量尾指针

根据邻接表和vector的特性,我只需要将顶点i的出边,都存在一个数组里vector[i],就好了!那么数组vector是什么类型的呢?应该是“边”这种类型,我们可以设一个结构体类型,如下:

#define maxn 5250    //最大点数;

struct node
{
    int to,v;    //to代表到哪个顶点,v代表权值
};

vector<node> e[maxn];    //每个点都有自己的邻接表,vector是一个node类型的数组

那么怎么插入边呢?

void addedge(int u,int v,int w)    //u->v = w;
{
    node tmp;
    tmp.to = v;
    tmp.v = w;
    e[u].push_back(tmp);    //关于顶点u的邻接表
}

是不是特别好理解?这样邻接表就建好了,那要怎么遍历一个顶点边的信息呢?

for(int i = 0; i < e[1].size(); i++)    //遍历1号顶点所有出边
{
    cout<<1<<e[1][i].to<<e[1][i].v<<endl;
}
//输出应该会是(根据上图):
1 4 9
1 2 5
1 3 7

将完整的模块拼在一起就是:

#define n 5250    //最大点数;
#include<vector>
using namespace std;

struct node
{
    int to,v;    //to代表到哪个顶点,v代表权值
};

vector<node> e[n+1];    //每个点都有自己的邻接表,vector是一个node类型的数组

void init()
{
    for(int i = 0; i <= n; i++)
        e[i].clear();
}

void addedge(int u,int v,int w)    //u->v = w,加边
{
    node tmp;
    tmp.to = v;
    tmp.v = w;
    e[u].push_back(tmp);    //关于顶点u的邻接表
}


for(int i = 1; i <= n; i++)
{
    for(int j = i; j < e[j].size(); j++)    //遍历i号顶点所有出边
    {
        cout<<i<<e[i][j].to<<e[i][j].v<<endl;    //顶点i的第j条出边
    }
}

//根据上图,输出应该是:
1 4 9
1 2 5
1 3 7
2 4 6
4 3 8

当然,只有两个成员的结构体,我们可以考虑用pair代替(万能的STL啊!),注意make_pair(a,b);的快捷操作:

#define n 5250    //最大点数;
#include<vector>
using namespace std;
typedef pair<int,int> pir;    //pir.first代表到哪个顶点,pir.second代表权值

vector<pir> e[n+1];    //每个点都有自己的邻接表,vector是一个pair类型的数组

void init()
{
    for(int i = 0; i <= n; i++)
        e[i].clear();
}

void addedge(int u,int v,int w)    //u->v = w,加边
{
    e[u].push_back(make_pair(v,w));    //关于顶点u的邻接表
}


for(int i = 1; i <= n; i++)
{
    for(int j = i; j < e[j].size(); j++)    //遍历i号顶点所有出边
    {
        cout<<i<<e[i][j].to<<e[i][j].v<<endl;    //顶点i的第j条出边
    }
}

//根据上图,输出应该是:
1 4 9
1 2 5
1 3 7
2 4 6
4 3 8

对了,也许有人要问,为什么是e[i][j]呢?显然e[n]是一个二维数组啊,因为每一个点的出边本身是一个数组啊,不止有一条出边,所以相当于往动态数组里存数组,当然是二维数组了,可以访问e[i][j],表示,顶点i的第j条出边,关于pair,本身没什么好讲的,很简单就不介绍了(连头文件都不用)

今天关于存图的方法,就写到这里,相信该是够用了吧

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