无向图的割点与割边

定义:

  给定无向图G=(V,E):

  若对于x∈V,从图中删去节点x以及所有与节点x相关联的边后,G分裂成两个或两个以上不相连的子图,则称x为G的割点

  若对于e∈E,从图中删去边e后,G分裂成两个不相连的子图,则称e为G的或者割边。

求法:

  根据著名的计算机学家Robert Tarjan(对,就是那个LCA算法的Tarjan)的名字命名的Tarjan算法能够在线性的时间内求出无向图的割点与桥。

  Tarjan算法基于无向图的深度优先遍历。

时间戳:

  在图的深度优先遍历的过程中,按照每一个节点第一次被访问的时间顺序,给予N个节点1~N的整数标记,该标记就被称为“时间戳”记为dfn[x]。

搜索树:

  在无向图中任选一个节点出发进行深度优先遍历,每个点只访问一次。所有发生递归的边(x,y)构成一棵树(就是深度优先遍历中用vis[x]数组标记,防止重复走的边以外的边),我们把它称为“无向连通图的搜索树”,当然一般无向图(不一定连通)的各个连通块的搜索树构成无向图的“搜索森林”。

追溯值:

  除了时间戳之外,Tarjan算法还引入了一个“追溯值”low[x]。设subtree(x)表示搜索树中以x为根的子树。low[x]定义为以下两种节点的时间戳最小值:

  1. subtree(x)中的节点。
  2. 通过一条不在搜索树上的边,能够到达subtree(x)中的节点(就是与搜索树中以x为根的子树以不在搜索树上的边相连的节点)。

  为了计算low[x],我们先初始化为low[x]=dfn[x](按道理根节点的时间戳比以它为根的子树中的节点的时间戳都小),然后考虑从x出发的所有边(x,y):

  1. 若在搜索树上x是y的父节点,则另low[x]=min(low[x],low[y])。
  2. 若无向边不在搜索树上,则另low[x]=min(low[x],dfn[y])。

割边判定法则:

  无向边(x,y)是割边,当且仅当搜索树上存在x的一个子节点y,满足:
                    dfn[x]<low[y]

充分性:  

  根据定义,dfn[x]<low[y]说明从subtree(y)出发,在不经过边(x,y)的前提下,不管走那条边都无法到达x或者比x更早访问的节点(若能到达,则追溯值应该>=dfn[x]),换句话说,将边(x,y)删除之后,subtree(y)与x无边相连,与比x更早访问的节点无边相连,图就被裂成了两部分,所以(x,y)是割边。

必要性:

  若对于x的任意子节点,都有dfn[x]>=low[y],则说明每一个subtree(y)都能绕行其他边到达x或比x更早访问的节点,那么(x,y)就自然不是割边。

  还有,割边一定是搜索树中的边,并且一个简单环中的边一定都不是割边。

  特别需要注意,因为我们遍历的是无向图,所以从每一个点x出发,总能访问到它的父节点fa。根据low的计算方法(x,fa)属于搜索树上的边,且fa不是x的子节点,故不能用fa的时间戳来更新low[x]。
  但是如果仅记录每一个节点的父节点,会无法处理重边的情况——当x与fa之间有多条边时,(x,fa)的任意一条边均不是割边。在这些重复的边中,只有一条算是“搜索树上的边”,其他的几条均不算。故有重边时,dfn[fa]能用来更新low[x]。
  一个好的解决方法是:改为记录“递归进入每个节点的边的编号”(这样就能防止通过搜索树上的边访问fa又能处理重边了)。我们用邻接表“成对变换”的储存技巧来实现这一点。

附上代码:

 1 #include<bits/stdc++.h>
 2 using namespace std;
 3 const int SIZE=100010;
 4 int head[SIZE],ver[2*SIZE],nxt[2*SIZE];
 5 int dfn[SIZE],low[SIZE],n,m,tot,num;
 6 bool bridge[SIZE*2];
 7 void add(int x,int y){
 8     ver[++tot]=y,nxt[tot]=head[x],head[x]=tot;
 9 }
10 
11 void tarjan(int x,int in_edge){
12     dfn[x]=low[x]=++num//追溯值初始化为时间戳
13     for(int i=head[x];i;i=nxt[i]){
14         int y=ver[i];
15         if(!dfn[y]){//在搜索树上
16             tarjan(y,i);
17             low[x]=min(low[x],low[y]);
18             if(low[y]>dfn[x])
19                 bridge[i]=bridge[i^1]=true;
20         }
21         else if(i!=in_edge^1){//不在搜索树上
22             low[x]=min(low[x],dfn[y]);
23         }
24     } 
25 }
26 
27 int main(){
28     cin>>n>>m;
29     tot=1;
30     for(int i=1;i<=m;++i){
31         int x,y;
32         scanf("%d%d",&x,&y);
33         add(x,y),add(y,x);//无向边成对储存
34     }
35     for(int i=1;i<=n;++i)//对于无向图的每一个连通块
36         if(!dfn[i]) tarjan(i,0);
37     for(int i=2;i<tot;i+=2){
38         if(bridge[i])
39             printf("%d%d\n",ver[i^1],ver[i]);
40     }
41     return 0;
42 }

割点判定法则:

  若x不是搜索树的根节点(深度优先遍历的起点),则x是割点当且仅当搜索树上存在x的一个子节点y,满足:
                  dfn[x]<=low[y]

  特别地,如果x是搜索树的根节点,那么x是割边当且仅当存在两个子节点满足那样的条件。

  证明方法与割边类似。

  因为割点的判定法则是小于等于号,所以在求割点时,不必考虑父节点和重边的问题,从x出发的所有点的时间戳都可以用来更新low[x]。

附上代码:

 1 #include<bits/stdc++.h>
 2 using namespace std;
 3 const int N=20001,M=100001;
 4 int head[N],ver[2*M],nxt[2*M];
 5 int dfn[N],low[N];
 6 int n,m,tot,num,root;
 7 bool cut[N];
 8 
 9 void add(int x,int y){
10     ver[++tot]=y,nxt[tot]=head[x],head[x]=tot;
11 }
12 
13 void tarjan(int x){
14     dfn[x]=low[x]=++num;
15     int flag=0;
16     for(int i=head[x];i;i=nxt[i]){
17         int y=ver[i];
18         if(!dfn[y]){
19             tarjan(y);
20             low[x]=min(low[x],low[y]);
21             if(low[y]>=dfn[x]){
22                 flag++;//防止是根节点的情况
23                 if(x!=root || flag>1)
24                     cut[x]=true;
25             }
26         }else low[x]=min(low[x],dfn[y]);
27     }
28 }
29 
30 int main(){
31     scanf("%d%d",&n,&m);
32     tot=1;
33     for(int i=1;i<=m;++i){
34         int x,y;
35         scanf("%d%d",&x,&y);
36         if(x==y) continue;
37         add(x,y),add(y,x);
38     }
39     for(int i=1;i<=n;++i)
40         if(!dfn[i]) root=i,tarjan(i);
41     for(int i=1;i<=n;++i){
42         if(cut[i]) cout<<i<<" ";
43     }
44     return 0;
45 }

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转载自www.cnblogs.com/Asika3912333/p/11372797.html
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