Алгоритмы на графах — Часть 0: Базовые понятия
Как оказалось тема алгоритмов интересна Хабра-сообществу. Поэтому я как и обещал, начну серию обзоров «классических» алгоритмов на графах.
Так как публика на Хабре разная, а тема интересна многим, я должен начать с нулевой части. В этой части я расскажу что такое граф, как он представлен в компьютере и зачем он используется. Заранее прошу прощения у тех кто это все уже прекрасно знает, но для того чтобы объяснять алгоритмы на графах, нужно сначала объяснить что такое граф. Без этого никак.
В математике, Граф — это абстрактное представление множества объектов и связей между ними. Графом называют пару (V, E) где V это множество вершин, а E множество пар, каждая из которых представляет собой связь (эти пары называют рёбрами).
Граф может быть ориентированным или неориентированным. В ориентированном графе, связи являются направленными (то есть пары в E являются упорядоченными, например пары (a, b) и (b, a) это две разные связи). В свою очередь в неориентированном графе, связи ненаправленные, и поэтому если существует связь (a, b) то значит что существует связь (b, a).
Неориентированный граф: Соседство (в жизни). Если (1) сосед (3), то (3) сосед (1). См рис. 1.а
Ориентированный граф: Ссылки. Сайт (1) может ссылаться на сайт (3), но совсем не обязательно (хотя возможно) что сайт (3) ссылается сайт (1). См рис. 1.б
Степень вершины может быть входящая и исходящая (для неориентированных графов входящая степень равна исходящей).
Входящая степень вершины v это количество ребер вида (i, v), то есть количество ребер которые «входят» в v.
Исходящая степень вершины v это количество ребер вида (v , i), то есть количество ребер которые «выходят» из v.
Это не совсем формальное определение (более формально определение через инцидентность), но оно вполне отражает суть
Путь в графе это конечная последовательность вершин, в которой каждые две вершины идущие подряд соединены ребром. Путь может быть ориентированным или неориентированным в зависимости от графа. На рис 1.а, путем является например последовательность [(1), (4), (5)] на рис 1.б, [(1), (3), (4), (5)].
У графов есть ещё много разных свойств (например они могут быть связными, двудольными, полными), но я не буду описывать все эти свойства сейчас, а в следующих частях когда эти понятия понадобятся нам.
Представление графов
Существует два способа представления графа, в виде списков смежности и в виде матрицы смежности. Оба способа подходят для представления ориентированных и неориентированных графов.
Матрица смежности
Этот способ является удобным для представления плотных графов, в которых количество рёбер (|E|) примерно равно количеству вершин в квадрате (|V| 2 ).
В данном представлении мы заполняем матрицу размером |V| x |V| следущим образом:
A[i][j] = 1 (Если существует ребро из i в j)
A[i][j] = 0 (Иначе)
Данный способ подходит для ориентированных и неориентированных графов. Для неориентированных графов матрица A является симметричной (то есть A[i][j] == A[j][i], т.к. если существует ребро между i и j, то оно является и ребром из i в j, и ребром из j в i). Благодаря этому свойству можно сократить почти в два раза использование памяти, храня элементы только в верхней части матрицы, над главной диагональю)
Понятно что с помощью данного способа представления, можно быстро проверить есть ли ребро между вершинами v и u, просто посмотрев в ячейку A[v][u].
С другой стороны этот способ очень громоздкий, так как требует O (|V| 2 ) памяти для хранения матрицы.
На рис. 2 приведены представления графов из рис. 1 с помощью матриц смежности.
Списки смежности
Данный способ представления больше подходит для разреженных графов, то есть графов у которых количество рёбер гораздо меньше чем количество вершин в квадрате (|E| 2 ).
В данном представлении используется массив Adj содержащий |V| списков. В каждом списке Adj[v] содержатся все вершины u, так что между v и u есть ребро. Память требуемая для представления равна O (|E| + |V|) что является лучшим показателем чем матрица смежности для разреженных графов.
Главный недостаток этого способа представления в том, что нет быстрого способа проверить существует ли ребро (u, v).
На рис. 3 приведены представления графов из рис. 1 с помощью списков смежности.
Применение
Те кто дочитал до этого места, наверное задали себе вопрос, а где же собственно я смогу применить графы. Как я и обещал я буду стараться приводить примеры. Самый первый пример который приходит в голову это социальная сеть. Вершинами графа являются люди, а ребрами отношения (дружба). Граф может быть неориентированным, то есть я могу дружить только с теми кто дружит со мной. Либо ориентированным (как например в ЖЖ), где можно добавить человека в друзья, без того чтобы он добавлял вас. Если же он да добавит вас вы будете «взаимными друзьями». То есть будет существовать два ребра: (Он, Вы) и (Вы, Он)
Ещё одно из применений графа, которое я уже упоминал это ссылки с сайта на сайт. Представим Вы хотите сделать поисковую систему и хотите учесть на какие сайты есть больше ссылок (например сайт A), при этом учитывать сколько сайтов ссылается на сайт B, который ссылается на сайт A. У вас будет матрица смежности этих ссылок. Вы захотите ввести какую то систему подсчёта рейтинга, которая делает какие то подсчёты на этой матрице, ну, а дальше… это Google (точнее PageRank) =)
Заключение
Это небольшая часть теории которая понадобится нам чтобы для следующих частей. Надеюсь вам было понятно, а главное понравилось и заинтересовало читать дальнейшие части! Оставляйте свои отзывы и пожелания в комментариях.
В следующей части
BFS — Алгоритм поиска в ширину
Библиография
Кормен, Лайзерсон, Риверст, Штайн — Алгоритмы. Построение и анализ. Издательство Вильямс, 2007.
Словарь терминов теории графов
Граф — статья в английской Википедии
Статья это кросс-пост из моего блога — «Programing as is — записки программиста»
Источник
Способы представления графов класс
Граф – совокупность точек, соединенных линиями. Точки называются вершинами , или узлами , а линии – ребрами , или дугами .
Степень входа вершины – количество входящих в нее ребер, степень выхода – количество исходящих ребер.
Граф, содержащий ребра между всеми парами вершин, является полным .
Встречаются такие графы, ребрам которых поставлено в соответствие конкретное числовое значение, они называются взвешенными графами , а это значение – весом ребра .
Когда у ребра оба конца совпадают, т.е. оно выходит из вершины и входит в нее, то такое ребро называется петлей .
Классификация графов
Графы делятся на
- связные
- несвязные
В связном графе между любой парой вершин существует как минимум один путь.
В несвязном графе существует хотя бы одна вершина, не связанная с другими.
Графы также подразделяются на
- ориентированные
- неориентированные
- смешанные.
В ориентированном графе ребра являются направленными, т.е. существует только одно доступное направление между двумя связными вершинами.
В неориентированном графе по каждому из ребер можно осуществлять переход в обоих направлениях.
Частный случай двух этих видов – смешанный граф. Он характерен наличием как ориентированных, так и неориентированных ребер.
Способы представления графа
Граф может быть представлен (сохранен) несколькими способами:
- матрица смежности;
- матрица инцидентности;
- список смежности (инцидентности);
- список ребер.
Использование двух первых методов предполагает хранение графа в виде двумерного массива (матрицы). Размер массива зависит от количества вершин и/или ребер в конкретном графе.
Матрица смежности графа — это квадратная матрица, в которой каждый элемент принимает одно из двух значений: 0 или 1.
Число строк матрицы смежности равно числу столбцов и соответствует количеству вершин графа.
- 0 – соответствует отсутствию ребра,
- 1 – соответствует наличию ребра.
Когда из одной вершины в другую проход свободен (имеется ребро), в ячейку заносится 1, иначе – 0. Все элементы на главной диагонали равны 0 если граф не имеет петель.
Матрица инцидентности (инциденции) графа — это матрица, количество строк в которой соответствует числу вершин, а количество столбцов – числу рёбер. В ней указываются связи между инцидентными элементами графа (ребро(дуга) и вершина).
В неориентированном графе если вершина инцидентна ребру то соответствующий элемент равен 1, в противном случае элемент равен 0.
В ориентированном графе если ребро выходит из вершины, то соответствующий элемент равен 1, если ребро входит в вершину, то соответствующий элемент равен -1, если ребро отсутствует, то элемент равен 0.
Матрица инцидентности для своего представления требует нумерации рёбер, что не всегда удобно. 
Список смежности (инцидентности)
Если количество ребер графа по сравнению с количеством вершин невелико, то значения большинства элементов матрицы смежности будут равны 0. При этом использование данного метода нецелесообразно. Для подобных графов имеются более оптимальные способы их представления.
По отношению к памяти списки смежности менее требовательны, чем матрицы смежности. Такой список можно представить в виде таблицы, столбцов в которой – 2, а строк — не больше, чем вершин в графе.
В каждой строке в первом столбце указана вершина выхода, а во втором столбце – список вершин, в которые входят ребра из текущей вершины.
Преимущества списка смежности:
- Рациональное использование памяти.
- Позволяет быстро перебирать соседей вершины.
- Позволяет проверять наличие ребра и удалять его.
Недостатки списка смежности:
- При работе с насыщенными графами (с большим количеством рёбер) скорости может не хватать.
- Нет быстрого способа проверить, существует ли ребро между двумя вершинами.
- Количество вершин графа должно быть известно заранее.
- Для взвешенных графов приходится хранить список, элементы которого должны содержать два значащих поля, что усложняет код:
- номер вершины, с которой соединяется текущая;
- вес ребра.
Список рёбер
В списке рёбер в каждой строке записываются две смежные вершины и вес соединяющего их ребра (для взвешенного графа).
Количество строк в списке ребер всегда должно быть равно величине, получающейся в результате сложения ориентированных рёбер с удвоенным количеством неориентированных рёбер. 
Какой способ представления графа лучше? Ответ зависит от отношения между числом вершин и числом рёбер. Число ребер может быть довольно малым (такого же порядка, как и количество вершин) или довольно большим (если граф является полным). Графы с большим числом рёбер называют плотными , с малым — разреженными . Плотные графы удобнее хранить в виде матрицы смежности, разреженные — в виде списка смежности.
Алгоритмы обхода графов
Основными алгоритмами обхода графов являются
Поиск в ширину подразумевает поуровневое исследование графа:
- вначале посещается корень – произвольно выбранный узел,
- затем – все потомки данного узла,
- после этого посещаются потомки потомков и т.д.
Вершины просматриваются в порядке возрастания их расстояния от корня.
Алгоритм прекращает свою работу после обхода всех вершин графа, либо в случае выполнения требуемого условия (например, найти кратчайший путь из вершины 1 в вершину 6).
Каждая вершина может находиться в одном из 3 состояний:
- 0 — оранжевый – необнаруженная вершина;
- 1 — зеленый – обнаруженная, но не посещенная вершина;
- 2 — серый – обработанная вершина.
Фиолетовый – рассматриваемая вершина. 
Применения алгоритма поиска в ширину
- Поиск кратчайшего пути в невзвешенном графе (ориентированном или неориентированном).
- Поиск компонент связности.
- Нахождения решения какой-либо задачи (игры) с наименьшим числом ходов.
- Найти все рёбра, лежащие на каком-либо кратчайшем пути между заданной парой вершин.
- Найти все вершины, лежащие на каком-либо кратчайшем пути между заданной парой вершин.
Алгоритм поиска в ширину работает как на ориентированных, так и на неориентированных графах.
Для реализации алгоритма удобно использовать очередь.
Реализация на C++ (с использованием очереди STL)
Результат выполнения 
Задача поиска кратчайшего пути
Реализация на С++
Поиск в глубину – это алгоритм обхода вершин графа.
Поиск в ширину производится симметрично (вершины графа просматривались по уровням). Поиск в глубину предполагает продвижение вглубь до тех пор, пока это возможно. Невозможность продвижения означает, что следующим шагом будет переход на последний, имеющий несколько вариантов движения (один из которых исследован полностью), ранее посещенный узел (вершина).
Отсутствие последнего свидетельствует об одной из двух возможных ситуаций:
- все вершины графа уже просмотрены,
- просмотрены вершины доступные из вершины, взятой в качестве начальной, но не все (несвязные и ориентированные графы допускают последний вариант).
Каждая вершина может находиться в одном из 3 состояний:
- 0 — оранжевый – необнаруженная вершина;
- 1 — зеленый – обнаруженная, но не посещенная вершина;
- 2 — серый – обработанная вершина;
Фиолетовый – рассматриваемая вершина. 
Применения алгоритма поиска в глубину
- Поиск любого пути в графе.
- Поиск лексикографически первого пути в графе.
- Проверка, является ли одна вершина дерева предком другой.
- Поиск наименьшего общего предка.
- Топологическая сортировка.
- Поиск компонент связности.
Алгоритм поиска в глубину работает как на ориентированных, так и на неориентированных графах. Применимость алгоритма зависит от конкретной задачи.
Для реализации алгоритма удобно использовать стек или рекурсию.
Реализация на C++ (с использованием стека STL)
Результат выполнения 
Задача поиска лексикографически первого пути на графе.
Реализация на C++
Результат выполнения 
Поиск в глубину также может быть реализован с использованием рекурсивного алгоритма.
Реализация обхода графа в глубину на C++ (с использованием рекурсии)
Источник
