什么是图

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一、图引入

相信很多同学都听说过六度空间理论（SixDegress of Separation）：只要通过6个人的关系网，你就能够认识全世界所有的人。这个理论和我们接下来要讲的图非常相似。

从上图中，我们可以看出，如果你认识6个人，是很有可能认识其他所有人的。

但是，对于全球的30亿的互联网人来说，你真的可以全部认识吗？大多数同学此刻一定是定神一想，这还用问？你是傻子吗？这一定不可能呀。但是对于这个问题，我们可以用我们未来学习的图的知识解决，啪啪打脸可真不好受，哈哈哈！

除了上述问题，对于下图，我再来提出两个问题：

  1. 从陈家庄到张家村，怎么走最快呢？
  2. 怎么修公路使得村村通的花费最少呢？

有些同学说了，这还不简单，让我用我的火眼金睛数一数。但是对于下述这张图呢？

算了，我还是街边喊666（溜）吧！！！

二、什么是图（Graph）

对于上述提出的几个问题，只要你耐下性子和我修习“图法”，相信不久之后，你就不是路边那个只会喊“666”的同志，而是挥手说“同志们好”。那么到底什么是图呢？记住nick心法：图就是下面我讲的这个小东西。废话~，还不如看下图——我（灵魂画师）手绘图：

以前我们学习的链表表示的是一对一的关系；学的树表示一对多的关系；而我们此次的主角，冠勇三军的图却是大有来头，从上图可以看出，图表示的是多对多的关系，通常，它包含如下“小弟”：

  • 一组顶点：通常用V（Vertex）表示顶点集合
  • 一组边：通常用E（Edge）表示边的集合

边是顶点对：即 \((v,w)\in{E}\)，其中\(v,w\in{V}\)
无向边\((v,w)\)表示从v指向w的边，无箭头，如下图所示：

有向边\(<v,w>\)也表示从v指向w的边（单行线），但是它有个该死的箭头，如下图所示：

牢记：图的边不考虑重边和自回路，记不住现场扇自己两巴掌，没人看的见，如下图所示是错误的：

三、抽象数据类型定义

我也知道枯燥，但是你逼着自己读一遍都做不到，大江大河等着你逛？

  • 类型名称：图（Graph）
  • 数据对象集：G(V, E)，由一个非空的有限顶点集合V和一个有限边集合E组成。
  • 操作集：对于任意图\(G\in{Graph}\)，以及\(v\in{V},e\in{E}\)

Graph Create()：建立并返回空图；
Graph InsertVertex(Graph G, Vertex v)：将v插入G
Graph InsertEdge(Graph G, Edge e)：将e插入G；
Void DFS(Graph G, Vertex v)：从顶点v出发深度优先（别好奇，继续往下看）遍历图G；
Void BFS(Graph G, Vertex v)：从顶点v出发宽度优先遍历图G；
Void ShortestPath(Graph G, Vertex v, int Dist\[\])：计算图G中顶点v到任意其他顶点的最短距离；
Void MST(Graph G)：计算图G的最小生成树；
……，以后都会讲到的，别急，现在不想弄死你，否则你醉生梦死（秃头）走不动了怎么办？？？

四、常见术语

你随便找一本图论的书，图的常见术语随随便便几十页，为了再次不让你醉生梦死，我就例举出几个，你看着记下就好了：

对，你没有看错，就这几个，还有很多，等以后我慢慢道来……，弄不死你！

五、怎么在程序中表示一个图

理论这东西怎么能符合我大nick的智商，那就来一点实践的吧！

逼逼叨叨一大堆，你倒是讲讲我们怎么在程序中表示一个图呀？

既然你选择了死亡，那我就告诉你吧。在程序中，我们一般有以下两种方式表示图（这并不意味着只有两个，多着呢！），分别为邻接矩阵和邻接表，下面重点戏来了，你个戏精，不是你想要来点实践的吗？

六、邻接矩阵

别听到矩阵就慌了阵脚，有我这个冠勇三军的大nick在，怕啥怕，来吧！

你可以把邻接矩阵看成一个正方形，也可以看成一个二维平面直角坐标轴，也可以混在一起看。我们先来看看它长啥挫样：

不可否认的是，这张图是有点难理解的，但是你要重视接下来我讲的这两句话：

  1. 邻接矩阵G[N][N]——N个顶点从0到N-1编号

\[G[i][j] = \begin{cases} 1\quad\text{若$<v_i,v_j>$是G中的边} \\ 0\quad\text{否则} \\ \end{cases} \]

不理解，私信我，微信：a1171958281，喷不死你！

对于上图的邻接矩阵，其实存在一个很大的bug，上图的邻接矩阵是沿红线对称的，也就是说，我们是否可以做到如下图所示，只要红色区域的部分呢？这样就可以节省一半空间了，好开心呀！

为了解决存储占用问题，我们可以用一个长度为\(N(N+1)/2\)的1维数组A存储，\(\{G_{00},G_{10},G_{11},\cdots,G_{n-1,0},\cdots,G_{n-1,n-1}\}\)，\(G_{ij}\)在数组A中的下标是（一行一行数过去，然后计算它的位置）：

\[(i*(i+1)/2+j) \]

对于边具有权重的网络（不理解就算了），只要把G[i][j]的值定义为边\(<v_i,v_j>\)的权重即可。

6.1 邻接矩阵的优点

上面逼逼了一大堆邻接矩阵的理论，实在让人痛苦，那么使用邻接矩阵有啥好处呢？好处大大的有，有以下四点好处：

  1. 直观、简单、好理解，这难道不是优点吗？/偷笑
  2. 方便检查任意一对顶间是否存在边
  3. 方便找任一顶点的所有邻接点（有边直接相连的顶点）
  4. 方便计算任一顶点的度（从该点触发的边数为出度，指向该点的边数为入度）

无向图：对应行（或列）非0元素的个数（出度就是入度呀！！！）
有向图：对应行非0元素的个数是出度；对应列非0元素的个数是入度

6.2 邻接矩阵的缺点

作为一个一个冠勇三军的大nick，不能总鼓励，也得给点打压！

那么邻接矩阵有什么缺点呢？缺点其实不多，就以下两点：

  1. 浪费空间——存稀疏图（点很多而便很少，其实就是0很多的意思，有大量无效元素）

对稠密图（特别是完全图 ）

6.3 邻接矩阵的代码表示

逼逼了一大堆，直接上代码吧！为师毕生功力传给你了，你慢慢参悟，c和python版本我都给你准备好了，但是我推荐你先看完理论再去研究代码。

6.3.1 c表示

/* c语言实现 */

/* 图的邻接矩阵表示法 */
 
#define MaxVertexNum 100    /* 最大顶点数设为100 */
#define INFINITY 65535        /* ∞设为双字节无符号整数的最大值65535*/
typedef int Vertex;         /* 用顶点下标表示顶点,为整型 */
typedef int WeightType;        /* 边的权值设为整型 */
typedef char DataType;        /* 顶点存储的数据类型设为字符型 */
 
/* 边的定义 */
typedef struct ENode *PtrToENode;
struct ENode{
    Vertex V1, V2;      /* 有向边<V1, V2> */
    WeightType Weight;  /* 权重 */
};
typedef PtrToENode Edge;
        
/* 图结点的定义 */
typedef struct GNode *PtrToGNode;
struct GNode{
    int Nv;  /* 顶点数 */
    int Ne;  /* 边数   */
    WeightType G[MaxVertexNum][MaxVertexNum]; /* 邻接矩阵 */
    DataType Data[MaxVertexNum];      /* 存顶点的数据 */
    /* 注意：很多情况下，顶点无数据，此时Data[]可以不用出现 */
};
typedef PtrToGNode MGraph; /* 以邻接矩阵存储的图类型 */
 
 
 
MGraph CreateGraph( int VertexNum )
{ /* 初始化一个有VertexNum个顶点但没有边的图 */
    Vertex V, W;
    MGraph Graph;
     
    Graph = (MGraph)malloc(sizeof(struct GNode)); /* 建立图 */
    Graph->Nv = VertexNum;
    Graph->Ne = 0;
    /* 初始化邻接矩阵 */
    /* 注意：这里默认顶点编号从0开始，到(Graph->Nv - 1) */
    for (V=0; V<Graph->Nv; V++)
        for (W=0; W<Graph->Nv; W++)  
            Graph->G[V][W] = INFINITY;
             
    return Graph; 
}
        
void InsertEdge( MGraph Graph, Edge E )
{
     /* 插入边 <V1, V2> */
     Graph->G[E->V1][E->V2] = E->Weight;    
     /* 若是无向图，还要插入边<V2, V1> */
     Graph->G[E->V2][E->V1] = E->Weight;
}
 
MGraph BuildGraph()
{
    MGraph Graph;
    Edge E;
    Vertex V;
    int Nv, i;
     
    scanf("%d", &Nv);   /* 读入顶点个数 */
    Graph = CreateGraph(Nv); /* 初始化有Nv个顶点但没有边的图 */ 
     
    scanf("%d", &(Graph->Ne));   /* 读入边数 */
    if ( Graph->Ne != 0 ) { /* 如果有边 */ 
        E = (Edge)malloc(sizeof(struct ENode)); /* 建立边结点 */ 
        /* 读入边，格式为"起点 终点 权重"，插入邻接矩阵 */
        for (i=0; i<Graph->Ne; i++) {
            scanf("%d %d %d", &E->V1, &E->V2, &E->Weight); 
            /* 注意：如果权重不是整型，Weight的读入格式要改 */
            InsertEdge( Graph, E );
        }
    } 
 
    /* 如果顶点有数据的话，读入数据 */
    for (V=0; V<Graph->Nv; V++) 
        scanf(" %c", &(Graph->Data[V]));
 
    return Graph;
}

6.3.2 Python表示

# python语言实现

# python闭门造车版本，没有一定实力，你就别为难自己了

class Graph_Matrix:
    """
    Adjacency Matrix
    """

    def __init__(self, vertices=[], matrix=[]):
        """
        :param vertices:a dict with vertex id and index of matrix , such as {vertex:index}
        :param matrix: a matrix
        """
        self.matrix = matrix
        self.edges_dict = {}  # {(tail, head):weight}
        self.edges_array = []  # (tail, head, weight)
        self.vertices = vertices
        self.num_edges = 0

        # if provide adjacency matrix then create the edges list
        if len(matrix) > 0:
            if len(vertices) != len(matrix):
                raise IndexError
            self.edges = self.getAllEdges()
            self.num_edges = len(self.edges)

        # if do not provide a adjacency matrix, but provide the vertices list, build a matrix with 0
        elif len(vertices) > 0:
            self.matrix = [[0 for col in range(len(vertices))] for row in range(len(vertices))]

        self.num_vertices = len(self.matrix)

    def isOutRange(self, x):
        try:
            if x >= self.num_vertices or x <= 0:
                raise IndexError
        except IndexError:
            print("节点下标出界")

    def isEmpty(self):
        if self.num_vertices == 0:
            self.num_vertices = len(self.matrix)
        return self.num_vertices == 0

    def add_vertex(self, key):
        if key not in self.vertices:
            self.vertices[key] = len(self.vertices) + 1

        # add a vertex mean add a row and a column
        # add a column for every row
        for i in range(self.getVerticesNumbers()):
            self.matrix[i].append(0)

        self.num_vertices += 1

        nRow = [0] * self.num_vertices
        self.matrix.append(nRow)

    def getVertex(self, key):
        pass

    def add_edges_from_list(self, edges_list):  # edges_list : [(tail, head, weight),()]
        for i in range(len(edges_list)):
            self.add_edge(edges_list[i][0], edges_list[i][1], edges_list[i][2], )

    def add_edge(self, tail, head, cost=0):
        # if self.vertices.index(tail) >= 0:
        #   self.addVertex(tail)
        if tail not in self.vertices:
            self.add_vertex(tail)
        # if self.vertices.index(head) >= 0:
        #   self.addVertex(head)
        if head not in self.vertices:
            self.add_vertex(head)

        # for directory matrix
        self.matrix[self.vertices.index(tail)][self.vertices.index(head)] = cost
        # for non-directory matrix
        # self.matrix[self.vertices.index(fromV)][self.vertices.index(toV)] = \
        #   self.matrix[self.vertices.index(toV)][self.vertices.index(fromV)] = cost

        self.edges_dict[(tail, head)] = cost
        self.edges_array.append((tail, head, cost))
        self.num_edges = len(self.edges_dict)

    def getEdges(self, V):
        pass

    def getVerticesNumbers(self):
        if self.num_vertices == 0:
            self.num_vertices = len(self.matrix)
        return self.num_vertices

    def getAllVertices(self):
        return self.vertices

    def getAllEdges(self):
        for i in range(len(self.matrix)):
            for j in range(len(self.matrix)):
                if 0 < self.matrix[i][j] < float('inf'):
                    self.edges_dict[self.vertices[i], self.vertices[j]] = self.matrix[i][j]
                    self.edges_array.append([self.vertices[i], self.vertices[j], self.matrix[i][j]])

        return self.edges_array

    def __repr__(self):
        return str(''.join(str(i) for i in self.matrix))

    def to_do_vertex(self, i):
        print('vertex: %s' % (self.vertices[i]))

    def to_do_edge(self, w, k):
        print('edge tail: %s, edge head: %s, weight: %s' % (self.vertices[w], self.vertices[k], str(self.matrix[w][k])))
        
        
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt


def draw_undircted_graph(my_graph):
    G = nx.Graph()  # 建立一个空的无向图G
    for node in my_graph.vertices:
        G.add_node(str(node))
    for edge in my_graph.edges:
        G.add_edge(str(edge[0]), str(edge[1]))

    print("nodes:", G.nodes())  # 输出全部的节点： [1, 2, 3]
    print("edges:", G.edges())  # 输出全部的边：[(2, 3)]
    print("number of edges:", G.number_of_edges())  # 输出边的数量：1
    nx.draw(G, with_labels=True)
    plt.savefig("undirected_graph.png")
    plt.show()


# python语言实现

# python导入模块

import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

G = nx.Graph()
Matrix = np.array(
    [
        [0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0],  # a
        [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0],  # b
        [0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0],  # c
        [0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0],  # d
        [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0],  # e
        [0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1],  # f
        [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1],  # g
        [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0]  # h
    ]
)
# 建立一个空的无向图
for i in range(len(Matrix)):
    for j in range(len(Matrix)):
        G.add_edge(i, j)
nx.draw(G)
plt.show()

七、邻接表

好了，吃完饭了！可以来第二个邻接表了，如下图所示：

对于上图的邻接表，其中G[N]为指针数组，对应矩阵每行一个链表只存非0元素，对于有权重的网络（以后就知道了），结构中增加关于权重的域（多一个权重相关的值）。

但是同志们，一定要注意：图中的顶点之间（邻接矩阵）一定要足够稀疏才合算呀！否则你不就是傻子了吗？

7.1 邻接表的优点

好了，长话短说，邻接表就以下四个优点：

  1. 方便找任一顶点的所有邻接点
  2. 节约稀疏图的空间

需要N个头指针 + 2E个结点（每个结点至少两个域，头指针5，结点9；也有可能头指针9，结点5）
4. 方便计算任一顶点的度

无向图：是的
有向图：只能计算出度；需要构造逆邻接表（存指向自己的边）来方便计算入度

7.2 邻接表的缺点

就一点，不废话，自己考虑为什么：

  1. 不方便检查任意一对顶点间是否存在边

7.3 邻接表的代码表示

逼逼了一大堆，直接上代码吧！为师毕生功力传给你了，你慢慢参悟，c和python版本我都给你准备好了，但是我推荐你先看完理论再去研究代码。

7.2.1 c表示

/* c语言实现 */

/* 图的邻接表表示法 */
 
#define MaxVertexNum 100    /* 最大顶点数设为100 */
typedef int Vertex;         /* 用顶点下标表示顶点,为整型 */
typedef int WeightType;        /* 边的权值设为整型 */
typedef char DataType;        /* 顶点存储的数据类型设为字符型 */
 
/* 边的定义 */
typedef struct ENode *PtrToENode;
struct ENode{
    Vertex V1, V2;      /* 有向边<V1, V2> */
    WeightType Weight;  /* 权重 */
};
typedef PtrToENode Edge;
 
/* 邻接点的定义 */
typedef struct AdjVNode *PtrToAdjVNode; 
struct AdjVNode{
    Vertex AdjV;        /* 邻接点下标 */
    WeightType Weight;  /* 边权重 */
    PtrToAdjVNode Next;    /* 指向下一个邻接点的指针 */
};
 
/* 顶点表头结点的定义 */
typedef struct Vnode{
    PtrToAdjVNode FirstEdge;/* 边表头指针 */
    DataType Data;            /* 存顶点的数据 */
    /* 注意：很多情况下，顶点无数据，此时Data可以不用出现 */
} AdjList[MaxVertexNum];    /* AdjList是邻接表类型 */
 
/* 图结点的定义 */
typedef struct GNode *PtrToGNode;
struct GNode{  
    int Nv;     /* 顶点数 */
    int Ne;     /* 边数   */
    AdjList G;  /* 邻接表 */
};
typedef PtrToGNode LGraph; /* 以邻接表方式存储的图类型 */
 
 
 
LGraph CreateGraph( int VertexNum )
{ /* 初始化一个有VertexNum个顶点但没有边的图 */
    Vertex V;
    LGraph Graph;
     
    Graph = (LGraph)malloc( sizeof(struct GNode) ); /* 建立图 */
    Graph->Nv = VertexNum;
    Graph->Ne = 0;
    /* 初始化邻接表头指针 */
    /* 注意：这里默认顶点编号从0开始，到(Graph->Nv - 1) */
       for (V=0; V<Graph->Nv; V++)
        Graph->G[V].FirstEdge = NULL;
             
    return Graph; 
}
        
void InsertEdge( LGraph Graph, Edge E )
{
    PtrToAdjVNode NewNode;
     
    /* 插入边 <V1, V2> */
    /* 为V2建立新的邻接点 */
    NewNode = (PtrToAdjVNode)malloc(sizeof(struct AdjVNode));
    NewNode->AdjV = E->V2;
    NewNode->Weight = E->Weight;
    /* 将V2插入V1的表头 */
    NewNode->Next = Graph->G[E->V1].FirstEdge;
    Graph->G[E->V1].FirstEdge = NewNode;
         
    /* 若是无向图，还要插入边 <V2, V1> */
    /* 为V1建立新的邻接点 */
    NewNode = (PtrToAdjVNode)malloc(sizeof(struct AdjVNode));
    NewNode->AdjV = E->V1;
    NewNode->Weight = E->Weight;
    /* 将V1插入V2的表头 */
    NewNode->Next = Graph->G[E->V2].FirstEdge;
    Graph->G[E->V2].FirstEdge = NewNode;
}
 
LGraph BuildGraph()
{
    LGraph Graph;
    Edge E;
    Vertex V;
    int Nv, i;
     
    scanf("%d", &Nv);   /* 读入顶点个数 */
    Graph = CreateGraph(Nv); /* 初始化有Nv个顶点但没有边的图 */ 
     
    scanf("%d", &(Graph->Ne));   /* 读入边数 */
    if ( Graph->Ne != 0 ) { /* 如果有边 */ 
        E = (Edge)malloc( sizeof(struct ENode) ); /* 建立边结点 */ 
        /* 读入边，格式为"起点 终点 权重"，插入邻接矩阵 */
        for (i=0; i<Graph->Ne; i++) {
            scanf("%d %d %d", &E->V1, &E->V2, &E->Weight); 
            /* 注意：如果权重不是整型，Weight的读入格式要改 */
            InsertEdge( Graph, E );
        }
    } 
 
    /* 如果顶点有数据的话，读入数据 */
    for (V=0; V<Graph->Nv; V++) 
        scanf(" %c", &(Graph->G[V].Data));
 
    return Graph;
}

7.3.2 Python表示

# python语言实现

class Vertex(object):
    # 初始化顶点
    def __init__(self, key):
        self.id = key  # 初始化顶点的键
        self.connectedTo = {}  # 初始化顶点的值

    # 添加邻居顶点，参数nbr是邻居顶点的键，默认权重为0	
    def addNeighbor(self, nbr, weight=0):
        self.connectedTo[nbr] = weight

    def __str__(self):
        return str(self.id) + ' connectedTo: ' + str([x.id for x in self.connectedTo])

    # 获取该顶点所有邻居顶点的键
    def getConnections(self):
        return self.connectedTo.keys()

    # 获取顶点的键
    def getId(self):
        return self.id

    # 获取到某邻居顶点的权重
    def getWeight(self, nbr):
        return self.connectedTo[nbr]


# 自定义图类
class Graph(object):
    # 初始化图
    def __init__(self):
        self.vertList = {}  # 初始化邻接表
        self.numVertices = 0  # 初始化顶点数

    # 添加顶点
    def addVertex(self, key):
        newVertex = Vertex(key)  # 创建顶点
        self.vertList[key] = newVertex  # 将新顶点添加到邻接表中
        self.numVertices = self.numVertices + 1  # 邻接表中顶点数+1
        return newVertex

    # 获取顶点
    def getVertex(self, n):
        if n in self.vertList:  # 若待查询顶点在邻接表中，则
            return self.vertList[n]  # 返回该顶点
        else:
            return None

    # 使之可用in方法
    def __contains__(self, n):
        return n in self.vertList

    # 添加边，参数f为起始顶点的键，t为目标顶点的键，cost为权重
    def addEdge(self, f, t, cost=0):
        if f not in self.vertList:  # 起始顶点不在邻接表中，则
            self.addVertex(f)  # 添加起始顶点
        if t not in self.vertList:  # 目标顶点不在邻接表中，则
            self.addVertex(t)  # 添加目标顶点
        self.vertList[f].addNeighbor(self.vertList[t], cost)  # 在邻接表中添加起始点的目标点及权重

    # 获取邻接表中所有顶点的键
    def getVertices(self):
        return self.vertList.keys()

    # 迭代显示邻接表的每个顶点的邻居节点
    def __iter__(self):
        return iter(self.vertList.values())


if __name__ == '__main__':
    g = Graph()  # 实例化图类
    for i in range(6):
        g.addVertex(i)  # 给邻接表添加节点
    print(g.vertList)  # 打印邻接表
    g.addEdge(0, 1, 5)  # 给邻接表添加边及权重
    g.addEdge(0, 5, 2)
    g.addEdge(1, 2, 4)
    g.addEdge(2, 3, 9)
    g.addEdge(3, 4, 7)
    g.addEdge(3, 5, 3)
    g.addEdge(4, 0, 1)
    g.addEdge(5, 4, 8)
    g.addEdge(5, 2, 1)
    for v in g:  # 循环每个顶点
        for w in v.getConnections():  # 循环每个顶点的所有邻居节点
            print("(%s, %s)" % (v.getId(), w.getId()))  # 打印顶点和其邻居节点的键
posted @ 2019-09-26 18:18  B站-水论文的程序猿  阅读(1370)  评论(0)  编辑  收藏  举报