圖說演算法使用JavaScript(三十三)

10-2-2相鄰串列法

前面所介紹相鄰矩陣法,優點是藉著矩陣的運算,可以求取許多特別的應用,如要在圖形中加入新邊時,這個表示法的插入與刪除相當簡易。不過可慮到稀疏矩陣空間浪費的問題,如要計算所有頂點的分支度時,其時間複雜度為O(n^2)。

因此可以考慮更有效率的方法,就是相鄰串列法(adjaceny list)。這種表示法就是將一個n列相鄰矩陣,表示成n個鏈結串列,這種做法和相鄰矩陣相比較節省空間,如計算所有頂點的分支度時,其時間複雜度為O(n+e),缺點是圖形新邊的加入或刪除會更動到相關的串列鏈結,較為麻煩費時。

首先將圖形的n個頂點形成n個串列首,每個串列中的節點表示它們和首節點之間有邊相連。節點宣告如下:

class  list_node  {
           constructor ()  {
           this.val=0;
           this.next=null;
          }
}

在無向圖形中,因為對稱的關係,若有n個頂點、m個邊,則形成n個串列首,2m個節點。若為有向圖形中,則有n個串列首,以及m個頂點,因此相鄰串列中,求所有頂點分枝度所需的時間複雜度為O(n+m)。現在分別來討論下圖中兩個範例,該如何使用相鄰串列表示:

首先來看(A)圖,因為5個頂點使用5個串列首,V1串列代表頂點1,與頂點1相鄰的頂點有2及5,依此類推。

接著來看(B)圖,因為4個頂點使用4個串列首,V1串列代表頂點1,與頂點1相鄰的頂點有2,依此類推。

JS                    adjaceeency_matrix.js

class list_node {
	construnctor() {
		this.val=0;
		this.next=null;
	}
}

head=[];
for (i=0; i<6; i++) {
	head[i]=new list_node();
}

var newnode=new list_node();

//圖形宣告
data=[[1,2],[2,1],[2,5],[5,2],
		[2,3],[3,2],[2,4],[4,2],
		[3,4],[4,3],[3,5],[5,3],
		[4,5],[5,4]];

process.stdout.write('圖形的鄰接串列內容:\n');
process.stdout.write('-------------------------------------------\n');
for (i=1; i<6; i++)  {
	head[i].val=i;
	head[i].next=null;
	process.stdout.write('頂點 '+i+'=>');
	ptr=head[i];
	for (j=0; j<14; j++)  {
		if (data[j][0]==i) {
			newnode.val=data[j][1];
			newnode.next=null;
			while (ptr!=null) ptr=ptr.next;
			ptr=newnode;
			process.stdout.write('['+newnode.val+'] ');
		}
	}
	process.stdout.write('\n');
}

PHP                adjacency_matrix.php

PHP的串列,不會寫。
搞不清楚 javascript    newnode.val  跟  newnode.next如何改寫成PHP。

10-2-3 相鄰複合串列法

上面介紹了兩個圖形表示法都是從頂點的觀點出發,但如果要處理的是(邊)則必須使用相鄰多元串列,相鄰多元串列是處理無向圖形的另一種方法。相鄰多元串列的節點是存放邊線的資料,其結構如下:

其中相關特性說明如下:

M:是紀錄該邊是否被找過的一個位元之欄位。
V1及V2:是所記錄的邊的起點與終點。
LINK1:在尚有其他頂點與V1相連的情況下,此欄位會指向下一個與V1相連的邊結點,如果已經沒有任何頂點與V1相連時,則指向null。
LINK2:在尚有其他頂點與V2相連的情況下,此欄位會指向下一個與V2相連的邊節點,如果已經沒有任何頂點與V2相連時,則指向null。

例如有三條邊線(1,2)(1,3)(2,4),則邊線(1,2)表示法如下:

我們現在已相鄰多元串列表示下圖所示:

首先分別把頂點及邊的節點找出。

10-2-4 索引表格法

索引表格表示法,是一種用一維陣列來依序儲存與各頂點相鄰的所有頂點,並建立索引表格,來記錄個頂點在此一維陣列中第一個與該頂點相鄰的位置。我們將以下圖來說明索引表格法的實例。

則索引表格法的表示外觀為:

圖說演算法使用JavaScript(三十二)

10-1-4有向圖形

有向圖形(Digrph)是一種每一個邊都可使用有序對<V1,V2>來表示,並且<V1,V2>與<V2,V1>是表示方向不同的邊,而所謂<V1,V2>,是指V1為尾端指向為頭部的V2。如下圖所示:

V={A,B,C,D,E}
E={<A,B>、<B,C>、<C,D>、<C,E>、<E,D>、<D,B>}

接下來則是有向圖形的相關定義介紹:

*完整圖形(Complete Graph):具有n個頂點且恰有n*(n-1)個邊的有向圖形,如下圖所示:

*路徑(Path):有向圖形中從頂點Vp到頂點Vq的路徑是指一串由頂點所組成的連續有像序列。

*強連接(Strongly Connected):有向圖形中,如果每個相異的成對頂點Vi,Vj有直接路徑,同時,有另一條路徑從Vj到Vi,則稱此圖為強連接。如下圖:

*強連接單元(Strong Connected Component):有向圖形中構成強連接的最大子圖,在下圖(A)中是強連接,但(B)就不是。

而圖(B)中的強連接單元如下:

*出分支度(Out-degree):是指有向圖形中,以頂點V為劍尾的邊數目。

*入分支度(In-degree):是指有向圖形中,以頂點V為箭頭的邊數目,下圖中V4的入分支度為1,出分支度為0,V2的入分支度為4,出分支度為1。

10-2不能不學的圖形表示法

知道圖形的各種定義與觀念後,有關圖形的資料表示法就易顯重要了。常用來表達圖形資料結構的方法很多,本節中將介紹四種表示法。

10-2-1相鄰矩陣法

圖形A有n個頂點,以n*n的二為矩陣陣列表示。此矩陣的定義如下:

相關特性說明如下:

接著就實際來看一個範例,請以相鄰矩陣表示右邊的無向圖:由於下圖共有5個頂點,故使用5*5的二維陣列存放圖形。下圖中,先找和1相鄰的頂點有哪些,把和1相鄰的頂點座標填入1。

跟頂點1相鄰的有頂點2及頂點5,所以完成下表:

其他頂點依此類推可以得到相鄰矩陣:

無向/有向圖形的6*6相鄰矩陣演算法如下:

for (i=0; i<10; i++) {
for (j=0; j<2; j++) {
for (k=0; k<6; k++) {
tmpi=data[i][0];
tmpj=data[i][1];
arr[tmpi][tmpj]=1;
}
}
}
process.stdout.write('無向圖形矩陣:\n');
for (i=1; i<6; i++) {
for (j=1; j<6; j++)
process.stdout.write('['+arr[i][j]+'] ');
process.stdout.write('/n');
}

無向圖形

JS                 undirected.js

arr=[[0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0]];

data=[[1,2],[2,1],[1,5],[5,1],
	  [2,3],[3,2],[2,4],[4,2],
	  [3,4],[4,3]];

for (i=0; i<10; i++) {
	for (j=0; j<2; j++) {
		for (k=0; k<6; k++) {
			tmpi=data[i][0];
			tmpj=data[i][1];
			arr[tmpi][tmpj]=1;
		}
	}
}
process.stdout.write('無向圖形矩陣:\n');
for (i=1; i<6; i++) {
	for (j=1; j<6; j++) 
		process.stdout.write('['+arr[i][j]+'] ');
	process.stdout.write('\n');
}

PHP                    undirected.php

$arr = array(
    array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0)
);

//圖形各邊的起點值及終點值
$data = array(
	array(1,2),array(2,1),array(1,5),
	array(5,1),array(2,3),array(3,2),
	array(2,4),array(4,2),array(3,4),
	array(4,3)
);

for ($i=0; $i<10; $i++) {
	for ($j=0; $j<2; $j++) {
		for ($k=0; $k<6; $k++) {
			$tmpi=$data[$i][0];
			$tmpj=$data[$i][1];
			$arr[$tmpi][$tmpj]=1;
		}
	}
}

for ($i=1; $i<6; $i++) {
	for ($j=1; $j<6; $j++) {
		echo "[".$arr[$i][$j]."]";
	}
	echo "<br>";
}

有向圖形

JS                directed.js

arr=[[0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0],
	 [0,0,0,0,0,0]];

data=[[1,2],[2,1],[2,3],[2,4],
	  [4,3],[4,1],[2,4]];

for (i=0; i<6; i++) {
	for (j=0; j<6; j++) {
			tmpi=data[i][0];
			tmpj=data[i][1];
			arr[tmpi][tmpj]=1;
	}
}
process.stdout.write('有向圖形矩陣:\n');
for (i=1; i<6; i++) {
	for (j=1; j<6; j++) 
		process.stdout.write('['+arr[i][j]+'] ');
	process.stdout.write('\n');
}

PHP                directed.php

$arr = array(
    array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0),
	array(0,0,0,0,0,0)
);

//圖形各邊的起點值及終點值
$data = array(
	array(1,2),array(2,1),array(2,3),
	array(2,4),array(4,3),array(4,1)
	);

$count=count($data);
//echo $count."<br>";

for ($i=0; $i<$count; $i++) {      //讀取圖形資料
	for ($j=0; $j<$count; $j++) {       //填入arr矩陣
			$tmpi=$data[$i][0];    //tmpi為起始頂點
			$tmpj=$data[$i][1];    //tmpj為終止頂點
			$arr[$tmpi][$tmpj]=1;  //有邊的點填入1
	}
}

for ($i=1; $i<6; $i++) {
	for ($j=1; $j<6; $j++) {
		echo "[".$arr[$i][$j]."]"; //列印矩陣內容
	}
	echo "<br>";
}

圖說演算法使用JavaScript(三十一)

圖形演算法的關鍵課程

圖形除了被活用在演算法領域中最短路徑搜尋、拓樸排序外,還能應用在系統分析中以時間為評核標準的計畫平核術(Performance Evaluation and Review Technique, PERT),或者像一般生活中的(IC版設計)、(交通網路規劃)等都可以看作是圖形的應用。利用兩點之間的距離,如何計算兩節點之間最短距離,就變成圖形要處理的問題,也就是網路的定義,以Dijkstra 這種圖形演算法就能快速尋找出兩個節點之間的最短路徑,如果沒有Dijkstra 演算法,現在網路的運作效率必將大大降低。

圖形理論起源1736年,一位瑞士數學家尤拉(Euler)為了解決(肯尼茲堡橋梁)問題,所想出來的一種資料結構理論,就是著名的七橋理論。簡單來說,就是有七座橋橫跨四個城市的大橋。尤拉索思考的問題是這樣的,(是否有人在只經過每一座橋梁一次的情況下,把所有地方走過一次而且回到原點。)

10-1-1尤拉環與尤拉鏈

尤拉當時使用的方法就是以圖形結構進行分析。他先以頂點表示土地,以邊表示橋梁,並定義連接每個頂點的邊數稱為該頂點的分支度。我們將以下面簡圖來表示(肯尼茲堡橋梁)問題。

最後尤拉找到一個結論:(當所有頂點的分支度皆為偶數時,才能從某頂點出發,經過每一邊一次,再回到起點。)也就是說,在上圖中每個頂點的分支度都是奇數,所以尤拉所思考的問題是不可能發生的,這個理論就是有名的(尤拉環)(Eulerian cycle)理論。
但如果條件改成從某頂點出發,經過每邊一次,不一定要回到起點,亦即只允許其中兩個頂點的分支度是奇數,其餘則必須全部為偶數,符合這樣的結果稱為尤拉鏈(Eulerian chain)。

10-1-2圖形的定義

圖形是由(頂點)和(邊)所組成的集合,通常用G=(V,E)來表示,其中V是所有頂點的集合,而E代表所有的集合。圖形的種類有兩種:一是無向圖形,一是有向圖形,無向圖形以(V1,V2)表示,有向圖形則以<V1,V2>表示其邊緣。

10-1-3無向圖形

無向圖形(Graph)是一種具備同邊的兩個項點沒有次序關係,例如(A,B)與(B,A)是代表相同的邊。如下圖所示:

V={A,B,C,D,E}
E={(A,B),(A,E),(B,C),(B,D),(C,D),(C,E),(D,E)}

接下來是無向圖形的重要術語介紹:

完整圖形:在(無向圖形)中,N個頂點正好有N(N-1)/2條邊,則稱為(完整圖形)。如下圖

路徑(PATH):對於從頂點Vi到頂點Vj的一條路徑,是由所經過頂點所成的連續數列,如上圖G中,A到E的路徑有{(A,B)、(B,E)}及{(A,B)、(B,C)、(C,D)、(D,E)}等等。

簡單路徑(Simple Path):除了起點和終點可能相同外,其他經過的頂點都不同,在圖G中,(A,B)、(B,C)、(C,A)、(A,E)不是一條簡單路徑。

路徑長度(Path Length):是指路徑上所包含的數目,在圖G中,(A,B)、(B,C)、(C,D)、(D,E),是一條路徑,其長度為4,且為一簡單路徑。

循環(Cycle):起始頂點及終止頂點為同一個點的簡單路徑稱為循環。如上圖G,{(A,B)、(B,D)、(D,E)、(E,C)、(C,A)}起點及終點都是A,所以是一個循環。

依附(Incident):如果Vi與Vj相鄰,我們則稱(Vi,Vj)這邊依附於頂點Vi及頂點Vj,或者依附於頂點B的邊有(A,B)、(B,D)、(B,E)、(B,C)。

子圖(Subgraoh):當我們稱G’為G的子圖時,必定存在V(G’)<=V(G)與E(G’)<=E(G),如下圖是上圖G的子圖。

相鄰(Adjacent):如果(Vi,Vj)是E(G)中的一邊,則稱Vi與Vj相鄰。

相連單元(Connected Component):在無向圖形中,相連在一起的最大子圖(Subgraph),如下圖有2個相連單位。

分支度:在無向圖形中,一個頂點所擁有邊的總數為分支度。如上圖G,頂點A的分支度為4。