強連通分量 Trajan演算法

2022-07-26 01:57:13 字數 2323 閱讀 4580

tarjan基於這樣乙個定理:

在任何深度優先搜尋中,同一強連通支內的所有頂點均在同一棵深度優先樹中。也就是說,強連通分量一定是有向圖的某個深搜樹子樹。

證明:

在強連通支內的所有結點中,設r第乙個被發現。因為r是第乙個被發現,所以發現r時強連通支內的其他結點都為白色。在強連通支內從r到每一其他結點均有通路,因為這些通路都沒有離開該強連通支(據引理1),所以其上所有結點均為白色(未染色,未訪問)。因此根據白色路徑定理,在深度優先樹中,強連通支內的每乙個結點都是結點r的後代。

引理:白色路徑定理:

在乙個有向或無向圖g=(v,e)的深度優先森林中,結點v是結點u的後代當且僅當在搜尋發現u的時刻d[u],從結點u出發經一條僅由白色結點組成的路徑可達v。

證明:

→:假設v是u的後裔,w是深度優先樹中u和v之間的通路上的任意結點,則w必然是u的後裔,由推論1 u的發現時刻d[u]一定比w的發現時刻早,因此在時刻d[u],w應為白色(未發現)。

←:設在時刻d[u],從u到v有一條僅由白色結點組成的通路,但在深度優先樹中v還沒有成為u的後裔。不失一般性,我們假定該通路上的其他頂點都是u的後裔(否則可設v是該通路中最接近u的結點,且不為u的後裔),設w為該通路上v的祖先,使w是u的後裔(實際上w和u可以是同乙個結點)。根據推論1得f[w]≤f[u],因為v∈adj[w],對dfs_visit(w)的呼叫保證完成w之前先完成v,因此f[v]引理:推論1 後裔區間的嵌入

在有向或無向圖g的深度優先森林中,結節v是結點u的後裔當且僅當d[u](上述定理中,d[u]表示深搜過程中發現頂點的時間,f[u]表示對其深搜完畢的時間)

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關於搜尋樹中的邊

對有向圖進行dfs, 得到深搜樹,與無向圖不同,無向圖只包括 樹邊和回退邊,而有向圖的樹包括四種:

若 dfn[v] < dfn[w] , (v,w) 是向前邊或者樹邊。

若 dfn[v] > dfn[w] , (v,w) 是回退邊或橫跨邊。

區分樹邊和向前邊: visiteid[v] = true, visited[w] = false, (v,w)為樹邊。

visited[v] = true, visited[w] = true, 且 dfn[v] < dfn[w], (v,w)為向前邊。

區分回退邊和橫邊:

(資料結構書上的). 搜尋過程中,每當樹邊(v,w)歸入樹邊集時,記下j 的父親 father[w] = v. 於是當遇上任意條邊(v,w), 當visited[v] = true, visited[w] = true, 且dfn[v] > dfn[w] ,就由節點v 沿著樹邊根據father陣列向上查詢w, 如果找到了w, 說明是回退邊,否則是橫邊。

橫邊有兩種,一種是森林各個樹之間的。一種是連通分量之內的。 當遇到橫跨邊,如果邊的頂點還未歸於乙個被搜尋完成的強連通分量, 那麼該橫邊的點是可達的。否則是不可達的,即該邊的頂點不可用。

tarjan 演算法原理:

既然強連通分量是深搜樹的一棵子樹,要找到乙個分量,只要找到樹根( 連線不同分量的橋的前端頂點) ,然後取出其所屬分量的頂點即可。

當深搜過程中遇到乙個分量,首先發現的頂點v肯定是樹根,由於分量是一棵子樹,且分量間頂點可互達,那麼其他頂點肯定能由v 發起的路徑到達,那麼其他節點都是v的子孫。

同無向圖雙連通分量的解決方式類似,我們定義 low 陣列,low[v] 表示,從v出發經過v 的子孫形成的路徑和一條回退邊,能夠到達的最淺層次的頂點的編號。注意這裡到達的頂點必須是可用的,我們說當乙個分量完成,其包括的頂點全部設定為不可用。其實如果邊是一條不同子樹之間的橫跨邊,它到達的頂點肯定是不可用的,因為那個點已經屬於另乙個分量。

在乙個分量中,樹根的子孫都不可能到達樹根的祖先頂點。(容易證明:如果跟是u,某子孫v可達u的祖先w,由於w->u->v->w, 則w也屬於該分量,且w應該是樹根,矛盾)

在dfs過程中,遇到新點令其dfn[u] = low[u] = 編號. 回溯時,如果發現dfn[u] == low[u], 則是分量子樹的樹根。 這是乙個充要條件。 -->: 如果u 是樹根,且由於是強分量,其子孫都可達到u, 則子孫的low 都是u 的編號。則low[u] = dfn[u].    <--: 如果low[u] == dfn[u], 假設u不是樹根,那麼肯定有u的祖先是樹根,那麼low[u]肯定比當前值小,矛盾,因此u是樹根。

如何取出分量? 我們遇到新頂點時將頂點入棧,在回溯時發現了根,且根是先被壓入棧的,那麼在根之後壓入的頂點都是分量中的頂點,否則如果有頂點屬於其他分量,就出現矛盾,因為在那個分量完成時,這個頂點已經彈出不可用了。

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