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  • tarjan算法讲解

    tarjan算法,一个关于 图的联通性的神奇算法。基于DFS算法,深度优先搜索一张有向图。!注意!是有向图。根据树,堆栈,打标记等种种神奇方法来完成剖析一个图的工作。而图的联通性,就是任督二脉通不通。。的问题。

    了解tarjan算法之前你需要知道:
    强连通,强连通图,强连通分量,解答树(解答树只是一种形式。了解即可)

    强连通(strongly connected): 在一个有向图G里,设两个点 a b 发现,由a有一条路可以走到b,由b又有一条路可以走到a,我们就叫这两个顶点(a,b)强连通。

    强连通图: 如果 在一个有向图G中,每两个点都强连通,我们就叫这个图,强连通图。

    强连通分量strongly connected components):在一个有向图G中,有一个子图,这个子图每2个点都满足强连通,我们就叫这个子图叫做 强连通分量 [分量::把一个向量分解成几个方向的向量的和,那些方向上的向量就叫做该向量(未分解前的向量)的分量]
    举个简单的栗子:

    比如说这个图,在这个图中呢,点1与点2互相都有路径到达对方,所以它们强连通.

    而在这个有向图中,点1 2 3组成的这个子图,是整个有向图中的强连通分量。

    解答树:就是一个可以来表达出递归枚举的方式的树(图),其实也可以说是递归图。。反正都是一个作用,一个展示从“什么都没有做”开始到“所有结求出来”逐步完成的过程。“过程!”

    tarjan算法,之所以用DFS就是因为它将每一个强连通分量作为搜索树上的一个子树。而这个图,就是一个完整的搜索树。

    为了使这颗搜索树在遇到强连通分量的节点的时候能顺利进行。每个点都有两个参数。

    1, DFN[]作为这个点搜索的次序编号(时间戳),简单来说就是 第几个被搜索到的。%每个点的时间戳都不一样%。

    2, LOW[]作为每个点在这颗树中的,最小的子树的根,每次保证最小,喜欢它的父亲结点的时间戳这种感觉。如果它自己的LOW[]最小,那这个点就应该从新分配,变成这个强连通分量子树的根节点。
    ps:每次找到一个新点,这个点LOW[]=DFN[]。

    而为了存储整个强连通分量,这里挑选的容器是,堆栈。每次一个新节点出现,就进站,如果这个点有 出度 就继续往下找。直到找到底,每次返回上来都看一看子节点与这个节点的LOW值,谁小就取谁,保证最小的子树根。如果找到DFN[]==LOW[]就说明这个节点是这个强连通分量的根节点(毕竟这个LOW[]值是这个强连通分量里最小的。)最后找到强连通分量的节点后,就将这个栈里,比此节点后进来的节点全部出栈,它们就组成一个全新的强连通分量。

    先来一段伪代码:

    tarjan(u){

      DFN[u]=Low[u]=++Index // 为节点u设定次序编号和Low初值

      Stack.push(u)   // 将节点u压入栈中

      for each (u, v) in E // 枚举每一条边

        if (v is not visted) // 如果节点v未被访问过

            tarjan(v) // 继续向下找

            Low[u] = min(Low[u], Low[v])

        else if (v in S) // 如果节点u还在栈内

            Low[u] = min(Low[u], DFN[v])

      if (DFN[u] == Low[u]) // 如果节点u是强连通分量的根

      repeat v = S.pop  // 将v退栈,为该强连通分量中一个顶点

      print v

      until (u== v)

    }

    首先来一张有向图。网上到处都是这个图。我们就一点一点来模拟整个算法。

    1进入 DFN[1]=LOW[1]= ++index ----1

    入栈 1

    1进入2 DFN[2]=LOW[2]= ++index ----2

    入栈 1 2

    之后由2进入3 DFN[3]=LOW[3]= ++index ----3

    入栈 1 2 3

    之后由3进入 6 DFN[6]=LOW[6]=++index ----4


    入栈 1 2 3 6

    之后发现6无出度,之后判断 DFN[6]==LOW[6]

    说明6是个强连通分量的根节点:6及6以后的点 出栈。

    栈: 1 2 3 

    之后退回 节点3 Low[3] = min(Low[3], Low[6]) LOW[3]还是 3

    节点3 也没有再能延伸的边了,判断 DFN[3]==LOW[3]

    说明3是个强连通分量的根节点:3及3以后的点 出栈。

    栈: 1 2 

    之后退回 节点2 嗯?!往下到节点5

    DFN[5]=LOW[5]= ++index -----5

    入栈 1 2 5

    ps:你会发现在有向图旁边的那个丑的(划掉)搜索树 用红线剪掉的子树,那个就是强连通分量子树。每次找到一个。直接。一剪子下去。半个子树就没有了。。

    结点5 往下找,发现节点6 DFN[6]有值,被访问过。就不管它。

    继续 5往下找,找到了节点1 他爸爸的爸爸。。DFN[1]被访问过并且还在栈中,说明1还在这个强连通分量中,值得发现。 Low[5] = min(Low[5], DFN[1])

    确定关系,在这棵强连通分量树中,5节点要比1节点出现的晚。所以5是1的子节点。So

    LOW[5]= 1

    由5继续回到2 Low[2] = min(Low[2], Low[5])

    LOW[2]=1;

    2继续回到1 判断 Low[1] = min(Low[1], Low[2]) 

    LOW[1]还是 1

    1还有边没有走过。发现节点4,访问节点4

    DFN[4]=LOW[4]=++index ----6

    入栈 1 2 5 4 

    由节点4,走到5,发现5被访问过了,5还在栈里,

    Low[4] = min(Low[4], DFN[5]) LOW[4]=5

    说明4是5的一个子节点。

    4回到1.

    回到1,判断 Low[1] = min(Low[1], Low[4])

    LOW[1]还是 1 。

    判断 LOW[1] == DFN[1]

    诶?!相等了    说明以1为根节点的强连通分量已经找完了。

    将栈中1以及1之后进栈的所有点,都出栈。

    栈 :(鬼都没有了)

    这个时候就完了吗?!

    你以为就完了吗?!

    然而并没有完,万一你只走了一遍tarjan整个图没有找完怎么办呢?!

    所以。tarjan的调用最好在循环里解决。

    like    如果这个点没有被访问过,那么就从这个点开始tarjan一遍。

    因为这样好让每个点都被访问到。

     基本思路:

    1.初始化

    2.入栈

    3.枚举:

        1.不在队列中->访问,进行赋值,

        2.在队列中->赋值

    4.寻找根->输出结果

    来一道裸代码。

    输入:
    一个图有向图。

    输出:
    它每个强连通分量。

    这个图就是刚才讲的那个图。一模一样。

    input:

    6 8

    1 3

    1 2

    2 4

    3 4

    3 5

    4 6

    4 1

    5 6

    output:

    6

    5

    3 4 2 1

    a Sans Unicode"; mso-hansi-font-family:"Lucida Sans Unicode";mso-bidi-font-family:"Lucida Sans Unicode"; color:black'>的一个子节点

    代码实现

     1 #include<iostream>
     2 using namespace std;
     3 #include"cstdio"
     4 #include<cstring>
     5 int head[1001],DFN[1001],LOW[1001];
     6 struct node{
     7     int next;
     8     int v;
     9 }edge[1001];
    10 int stack[1001],n,m,tot,num,index;
    11 int visit[10001];
    12 void add(int x,int y)
    13 {
    14     edge[++num].next=head[x];
    15     edge[num].v=y;
    16     head[x]=num;
    17     return;
    18 }
    19 void tarjan(int x)//代表第几个点在处理。递归的是点。
    20 {
    21     DFN[x]=LOW[x]=++tot;//新进的点初始化 
    22     stack[++index]=x;//jin jnzhan
    23     visit[x]=1;//表示在栈里
    24     for(int i=head[x];i!=-1;i=edge[i].next)
    25     {
    26         if(!DFN[edge[i].v])
    27         {//如果没访问过
    28             tarjan(edge[i].v);//往下进行延伸,开始递归
    29             LOW[x]=min(LOW[x],LOW[edge[i].v]);//递归出来,比较谁是谁的儿子/父亲,就是树的对应关系,涉及到强连通分量子树最小根的事情。
    30         }
    31         else if(visit[edge[i].v])
    32         {//如果访问过,并且还在栈里。
    33             LOW[x]=min(LOW[x],DFN[edge[i].v]);//比较谁是谁的儿子/父亲。就是链接对应关系
    34         }
    35     }
    36     if(LOW[x]==DFN[x]) //发现是整个强连通分量子树里的最小根。
    37     {
    38         do
    39         {
    40             printf("%d ",stack[index]);
    41             visit[stack[index]]=0;
    42             index--;
    43         }while(x!=stack[index+1]);//出栈,并且输出.
    44         printf("
    ");
    45     }
    46     return ;
    47 }
    48 
    49 void chushi()
    50 {
    51     for(int i=1;i<=n;i++)
    52     head[i]=-1;
    53 }
    54 int main()
    55 {
    56     scanf("%d%d",&n,&m);
    57     chushi();
    58     //memset(head,-1,sizeof(head));
    59     for(int i=1;i<=m;i++)
    60     {
    61         int x,y;
    62         scanf("%d%d",&x,&y);
    63         add(x,y);
    64     }
    65     for(int i=1;i<=n;i++)
    66     if(!DFN[i]) tarjan(i);//当这个点没有访问过,就从此点开始。防止图没走完
    67      return 0;    
    68 }
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