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Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

王林
풀어 주다: 2023-06-02 23:42:01
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1535명이 탐색했습니다.

머리말

그래프는 추상적인 데이터 구조로, 본질적으로 트리 구조와 동일합니다.

트리에 비해 그래프는 닫혀 있습니다. 트리 구조는 그래프 구조의 전신이라고 볼 수 있습니다. 형제 노드나 자식 노드 사이의 수평 연결을 트리 구조에 적용하면 그래프 구조를 만들 수 있습니다.

Tree는 회사의 조직 구조와 같이 일대다 데이터 구조를 위에서 아래로 설명하는 데 적합합니다.

그래프는 복잡한 그룹 사회적 관계와 같이 보다 복잡한 다대다 데이터 구조를 설명하는 데 적합합니다.

Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

1. 그래프 이론

컴퓨터를 사용하여 현실 세계의 문제를 해결할 때는 현실 세계에서 정보를 저장하는 것 외에도 정보 간의 관계를 올바르게 설명해야 합니다.

예를 들어 지도 프로그램을 개발할 때 도시 간의 관계나 도시 안의 도로를 컴퓨터에서 정확하게 시뮬레이션해야 합니다. 이를 토대로 한 도시에서 다른 도시로, 또는 지정된 출발지에서 목적지까지의 최적 경로를 계산하는 데 알고리즘을 사용할 수 있습니다.

비슷하게 항공 노선 지도, 기차 노선 지도, 소셜 커뮤니케이션 지도가 있습니다.

그래프 구조는 위에서 설명한 것처럼 현실 세계의 정보 간의 복잡한 관계를 효과적으로 반영할 수 있습니다. 이 알고리즘을 사용하면 비행 경로의 최단 경로, 기차 경로의 최상의 환승 계획, 사회적 관계에서 누구와 가장 좋은 관계를 맺고 있는지, 결혼 네트워크에서 누구와 가장 잘 맞는지 쉽게 계산할 수 있습니다. ..

1.1 그래프의 개념

정점: 정점은 노드라고도 하며, 그래프는 정점의 집합이라고 볼 수 있습니다. 정점 자체에는 데이터 의미가 있으므로 정점은 "페이로드"라는 추가 정보를 전달합니다.

정점은 도시, 장소 이름, 역 이름, 현실 세계의 사람들이 될 수 있습니다... 모서리에는 방향이 있을 수도 있고 방향이 없을 수도 있습니다. 방향 모서리는 단방향 모서리와 양방향 모서리로 나눌 수 있습니다.

아래 그림에 표시된 것처럼 (항목 1)과 (정점 2) 사이의 가장자리에는 한 방향만 있습니다(화살표는 방향을 나타냄). Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법를 단방향 가장자리

라고 합니다. 현실 세계의 일방통행 도로와 유사합니다.

(정점 1)과 (정점 2) 사이의 가장자리에는 두 방향(양방향 화살표)이 있으며, 를 양방향 가장자리라고 합니다.

도시 간의 관계는 양방향 우위입니다.

Weight: Edge에 값 정보를 추가할 수 있으며, 추가된 값을

weight

라고 합니다. 가중치 가장자리는 한 정점에서 다른 정점으로의 연결 강도를 나타냅니다. Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

예를 들어, 실제 지하철 노선에서 가중치는 두 역 사이의 시간, 킬로미터, 요금을 나타낼 수 있습니다.

가장자리는 정점 간의 관계를 나타내고 가중치는 연결의 차이를 나타냅니다.

경로:

Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법먼저 현실 세계의 경로 개념을 이해하세요

예: 한 도시에서 다른 도시로 운전하려면 먼저 경로를 결정해야 합니다. 즉, 출발지에서 목적지까지 통과해야 하는 도시들이죠? 몇 마일 정도 걸릴까요?

경로는 가장자리로 연결된 일련의 정점이라고 말할 수 있습니다. 경로가 두 개 이상 있으므로 한 항목 지점에서 다른 항목 지점으로의 경로 설명은 한 유형을 참조하지 않습니다.

그래프 구조에서 경로를 계산하는 방법은 무엇입니까?

비가중 경로의 길이는 경로의 가장자리 수입니다.

가중치 경로의 길이는 경로에 있는 가장자리 가중치의 합입니다.
  • 위 그림과 같이 (꼭지점 1)에서 (꼭지점 3)까지의 경로 길이는 8입니다.
  • 루프:

    시작점에서 시작하여 최종적으로 시작점(끝점도 시작점임)으로 돌아오면 루프가 형성됩니다. 위와 같이
  • 는 반지입니다.

그래프 유형:

요약하면 그래프는 다음 범주로 나눌 수 있습니다. (V1, V2, V3, V1)

유향 그래프:

방향 모서리가 있는 그래프를 유향 그래프라고 합니다.

  • 무방향 그래프: 변에 방향이 없는 그래프를 무방향 그래프라고 합니다.

  • 가중 그래프: 모서리에 가중치 정보가 있는 그래프를 가중치 그래프라고 합니다.

  • 비순환 그래프: 순환이 없는 그래프를 비순환 그래프라고 합니다.

  • 방향성 비순환 그래프: DAG라고 하는 주기가 없는 방향성 그래프입니다.

  • 1.2 그래프의 정의

    그래프의 특성에 따라 그래프 데이터 구조에는 최소한 두 가지 유형의 정보가 포함되어야 합니다.

    모든 꼭짓점은 여기에서 V로 표시되는 정보 집합을 형성합니다(예를 들어 지도 프로그램에서 모든 도시는 꼭짓점 집합으로 구성됩니다).

    모든 모서리는 여기서 E(도시 간 관계 설명)로 표시되는 집합 정보로 구성됩니다.

    가장자리를 어떻게 설명하나요?

    가장자리는 아이템 포인트 간의 관계를 나타내는 데 사용됩니다. 따라서 가장자리에는 3개의 메타데이터(시작점, 끝점, 가중치)가 포함될 수 있습니다. 물론 가중치는 생략할 수 있지만, 일반적으로 그래프를 연구할 때 가중치 그래프를 가리킨다.

    G를 사용하여 그래프를 표현하는 경우 G = (V, E)입니다. 각 모서리는 (fv, ev) 튜플이나 (fv, ev, w) 삼중항으로 설명할 수 있습니다. G 表示图,则 G = (V, E)。每一条边可以用二元组 (fv, ev) 也可以使用 三元组 (fv,ev,w) 描述。

    fv 表示起点,ev 表示终点。且 fvev 数据必须引用于 V 集合。

    Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    如上的图结构可以描述如下:

    # 5 个顶点
    V={A0,B1,C2,D3,E4}
    # 7 条边
    E={ (A0,B1,3),(B1,C2,4),(C2,D3,6),(C2,E4,1),(D3,E4,2),(A0,D3,5),(E4,B1,7)}
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    1.3 图的抽象数据结构

    图的抽象数据描述中至少要有的方法:

    • Graph ( ) : 用来创建一个新图。

    • add_vertex( vert ):向图中添加一个新节点,参数应该是一个节点类型的对象。

    • add_edge(fv,tv ):在 2 个项点之间建立起边关系。

    • add_edge(fv,tv,w ):在 2 个项点之间建立起一条边并指定连接权重。

    • find_vertex( key ): 根据关键字 key 在图中查找顶点。

    • find_vertexs( ):查询所有顶点信息。

    • find_path( fv,tv):查找.从一个顶点到另一个顶点之间的路径。

    2. 图的存储实现

    图的存储实现主流有 2 种:邻接矩阵和链接表,本文主要介绍邻接矩阵。

    2.1 邻接矩阵

    使用二维矩阵(数组)存储顶点之间的关系。

    graph[5][5] 可以存储 5 个顶点的关系数据,行号和列号表示顶点,第 v 行的第 w 列交叉的单元格中的值表示从顶点 v 到顶点 w 的边的权重,如 grap[2][3]=6 表示 C2 顶点和 D3 顶点的有连接(相邻),权重为 6

    Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    相邻矩阵的优点就是简单,可以清晰表示那些顶点是相连的。由于并非每对顶点之间都存在连接,因此矩阵中存在许多未被利用的空间,通常被称为“稀疏矩阵”。

    只有当每一个顶点和其它顶点都有关系时,矩阵才会填满。如果图结构的关系不是太复杂,使用这种结构存储图数据会浪费大量的空间。

    邻接矩阵适合表示关系复杂的图结构,如互联网上网页之间的链接、社交圈中人与人之间的社会关系……

    2.2 编码实现邻接矩阵

    因顶点本身有数据含义,需要先定义顶点类型。

    顶点类:

    """
    节(顶)点类
    """
    class Vertex:
        def __init__(self, name, v_id=0):
            # 顶点的编号
            self.v_id = v_id
            # 顶点的名称
            self.v_name = name
            # 是否被访问过:False 没有 True:有
            self.visited = False
    
        # 自我显示
        def __str__(self):
            return '[编号为 {0},名称为 {1} ] 的顶点'.format(self.v_id, self.v_name)
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    顶点类中 v_idv_name 很好理解。为什么要添加一个 visited

    这个变量用来记录顶点在路径搜索过程中是否已经被搜索过,避免重复搜索计算。

    图类:图类的方法较多,这里逐方法介绍。

    初始化方法

    class Graph:
        """
        nums:相邻矩阵的大小
        """
    
        def __init__(self, nums):
            # 一维列表,保存节点,最多只能有 nums 个节点
            self.vert_list = []
            # 二维列表,存储顶点及顶点间的关系(权重)
            # 初始权重为 0 ,表示节点与节点之间还没有建立起关系
            self.matrix = [[0] * nums for _ in range(nums)]
            # 顶点个数
            self.v_nums = 0
            # 使用队列模拟队列或栈,用于广度、深度优先搜索算法
            self.queue_stack = []
            # 保存搜索到的路径
            self.searchPath = []
            
        # 暂省略……
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    初始化方法用来初始化图中的数据类型:

    一维列表 vert_list 保存所有顶点数据。

    二维列表 matrix 保存顶点与顶点之间的关系数据。

    queue_stack 使用列表模拟队列或栈,用于后续的广度搜索和深度搜索。

    怎么使用列表模拟队列或栈?

    列表有 append()pop() 2 个很价值的方法。

    append() 用来向列表中添加数据,且每次都是从列表最后面添加。

    pop() 默认从列表最后面删除且弹出数据, pop(参数) 可以提供索引值用来从指定位置删除且弹出数据。

    使用 append() 和 pop() 方法就能模拟栈,从同一个地方进出数据。

    使用 append() 和 pop(0) 方法就能模拟队列,从后面添加数据,从最前面获取数据

    searchPath

    fv는 시작점을 나타내고, ev는 끝점을 나타냅니다. 그리고 fv, ev 데이터는 V 컬렉션에서 참조되어야 합니다.

    Python에서 그래프의 폭 및 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    위의 그래프 구조는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 🎜
        """
        添加新顶点
        """
        def add_vertex(self, vert):
            if vert in self.vert_list:
                # 已经存在
                return
            if self.v_nums >= len(self.matrix):
                # 超过相邻矩阵所能存储的节点上限
                return
            # 顶点的编号内部生成
            vert.v_id = self.v_nums
            self.vert_list.append(vert)
            # 数量增一
            self.v_nums += 1
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    1.3 그래프의 추상 데이터 구조

    🎜적어도 그래프의 추상 데이터 설명에 포함되어야 하는 메소드: 🎜
    • 🎜그래프 ( ): 새 그래프를 만드는 데 사용됩니다. 🎜
    • 🎜add_vertex( vert ): 그래프에 새 노드를 추가합니다. 매개변수는 노드 유형의 개체여야 합니다. 🎜
    • 🎜add_edge(fv, tv): 2개의 항목 포인트 간의 가장자리 관계를 설정합니다. 🎜
    • 🎜add_edge(fv,tv,w): 두 항목 포인트 사이에 가장자리를 설정하고 연결 가중치를 지정합니다. 🎜
    • 🎜find_vertex( key): 키워드 키를 기준으로 그래프에서 정점을 찾습니다. 🎜
    • 🎜find_vertexs( ): 모든 정점 정보를 쿼리합니다. 🎜
    • 🎜find_path(fv,tv): 한 꼭지점에서 다른 꼭지점까지의 경로를 찾습니다. 🎜

    2. 그래프 저장소 구현

    🎜두 가지 주요 그래프 저장소 구현이 있습니다: 인접 행렬과 링크 목록. 이 기사에서는 주로 인접 행렬을 소개합니다. 🎜

    2.1 인접 행렬

    🎜정점 간의 관계를 저장하려면 2차원 행렬(배열)을 사용하세요. 🎜🎜예를 들어 graph[5][5]는 5개의 꼭지점의 관계형 데이터를 저장할 수 있습니다. 행 번호와 열 번호는 v번째 행과 wth가 교차하는 셀의 값을 나타냅니다. 열은 시작점을 나타냅니다. grap[2][3]=6과 같이 정점 v에서 정점 w까지의 가장자리 가중치는 C2 정점과 D3 정점이 연결되어 있음을 의미합니다. , 가중치는 6🎜🎜폭과 깊이 우선 경로를 구현하는 방법 Python의 그래프 검색 알고리즘🎜🎜인접 행렬의 장점 간단하고 해당 정점이 연결되어 있음을 명확하게 나타낼 수 있습니다. 모든 정점 쌍이 연결되어 있는 것은 아니기 때문에 행렬에는 종종 "희소 행렬"이라고 불리는 사용되지 않는 공간이 많이 있습니다. 🎜🎜행렬은 모든 정점이 다른 정점과 관계가 있을 때만 채워집니다. 그래프 구조 간의 관계가 너무 복잡하지 않은 경우 이 구조를 사용하여 그래프 데이터를 저장하면 많은 공간이 낭비됩니다. 🎜🎜인접행렬은 인터넷상의 웹페이지 간의 링크, 사회계 사람들 간의 사회적 관계 등 복잡한 관계를 갖는 그래프 구조를 표현하는데 적합합니다...🎜

    2.2 인접행렬 구현을 위한 인코딩

    🎜 정점 자체가 데이터 의미를 갖기 때문에 정점 유형을 먼저 정의해야 합니다. 🎜🎜🎜Vertex 클래스: 🎜🎜
      '''
        添加节点与节点之间的边,
        如果是无权重图,统一设定为 1 
        '''
        def add_edge(self, from_v, to_v):
            # 如果节点不存在
            if from_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(from_v)
            if to_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(to_v)
            # from_v 节点的编号为行号,to_v 节点的编号为列号
            self.matrix[from_v.v_id][to_v.v_id] = 1
    
        '''
        添加有权重的边
        '''
        def add_edge(self, from_v, to_v, weight):
            # 如果节点不存在
            if from_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(from_v)
            if to_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(to_v)
            # from_v 节点的编号为行号,to_v 节点的编号为列号
            self.matrix[from_v.v_id][to_v.v_id] = weight
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    🎜vertex 클래스에서 v_idv_name은 이해하기 쉽습니다. 방문함을 추가하는 이유는 무엇입니까? 🎜🎜이 변수는 반복 검색 계산을 피하기 위해 경로 검색 과정에서 정점 검색 여부를 기록하는 데 사용됩니다. 🎜🎜🎜그래프 클래스: 🎜그래프 클래스에는 다양한 메서드가 있는데 여기서는 하나씩 소개하겠습니다. 🎜🎜🎜초기화 방법🎜🎜
        '''
        根据节点编号返回节点
        '''
        def find_vertex(self, v_id):
            if v_id >= 0 or v_id <= self.v_nums:
                # 节点编号必须存在
                return [tmp_v for tmp_v in self.vert_list if tmp_v.v_id == v_id][0]
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    🎜초기화 방법은 그래프의 데이터 유형을 초기화하는 데 사용됩니다. 🎜🎜1차원 목록 vert_list는 모든 정점 데이터를 저장합니다. 🎜🎜2차원 목록 행렬은 정점 간의 관계 데이터를 저장합니다. 🎜🎜queue_stack 목록을 사용하여 후속 폭 및 깊이 검색을 위한 대기열 또는 스택을 시뮬레이션합니다. 🎜🎜🎜목록을 사용하여 대기열이나 스택을 시뮬레이션하는 방법은 무엇입니까? 🎜🎜🎜이 목록에는 append()pop()이라는 두 가지 중요한 메서드가 있습니다. 🎜🎜append()는 목록에 데이터를 추가하는 데 사용되며, 매번 목록의 끝에서부터 추가됩니다. 🎜🎜pop()은 기본적으로 목록 끝에서 데이터를 삭제하고 팝합니다. pop(매개변수)는 지정된 위치에서 데이터를 삭제하고 팝하는 인덱스 값을 제공할 수 있습니다. . 🎜🎜append() 및 pop() 메서드를 사용하여 스택을 시뮬레이션하고 동일한 위치에서 데이터를 입력하고 종료합니다. 🎜🎜append() 및 pop(0) 메서드를 사용하여 대기열을 시뮬레이션하고, 뒤에서 데이터를 추가하고, 앞에서 데이터를 가져옵니다.🎜🎜searchPath: 너비 또는 너비에 사용되는 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. 깊이 우선 경로 검색 결과입니다. 🎜🎜🎜새 섹션(상단) 지점을 추가하는 방법: 🎜🎜
        """
        添加新顶点
        """
        def add_vertex(self, vert):
            if vert in self.vert_list:
                # 已经存在
                return
            if self.v_nums >= len(self.matrix):
                # 超过相邻矩阵所能存储的节点上限
                return
            # 顶点的编号内部生成
            vert.v_id = self.v_nums
            self.vert_list.append(vert)
            # 数量增一
            self.v_nums += 1
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    上述方法注意一点,节点的编号由图内部逻辑提供,便于节点编号顺序的统一。

    添加边方法

    此方法是邻接矩阵表示法的核心逻辑。

      &#39;&#39;&#39;
        添加节点与节点之间的边,
        如果是无权重图,统一设定为 1 
        &#39;&#39;&#39;
        def add_edge(self, from_v, to_v):
            # 如果节点不存在
            if from_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(from_v)
            if to_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(to_v)
            # from_v 节点的编号为行号,to_v 节点的编号为列号
            self.matrix[from_v.v_id][to_v.v_id] = 1
    
        &#39;&#39;&#39;
        添加有权重的边
        &#39;&#39;&#39;
        def add_edge(self, from_v, to_v, weight):
            # 如果节点不存在
            if from_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(from_v)
            if to_v not in self.vert_list:
                self.add_vertex(to_v)
            # from_v 节点的编号为行号,to_v 节点的编号为列号
            self.matrix[from_v.v_id][to_v.v_id] = weight
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    添加边信息的方法有 2 个,一个用来添加无权重边,一个用来添加有权重的边。

    查找某节点

    使用线性查找法从节点集合中查找某一个节点。

        &#39;&#39;&#39;
        根据节点编号返回节点
        &#39;&#39;&#39;
        def find_vertex(self, v_id):
            if v_id >= 0 or v_id <= self.v_nums:
                # 节点编号必须存在
                return [tmp_v for tmp_v in self.vert_list if tmp_v.v_id == v_id][0]
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    查询所有节点

      &#39;&#39;&#39;
        输出所有顶点信息
        &#39;&#39;&#39;
        def find_only_vertexes(self):
            for tmp_v in self.vert_list:
                print(tmp_v)
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    此方法仅为了查询方便。

    查询节点之间的关系

        &#39;&#39;&#39;
        迭代节点与节点之间的关系(边)
        &#39;&#39;&#39;
        def find_vertexes(self):
            for tmp_v in self.vert_list:
                edges = self.matrix[tmp_v.v_id]
                for col in range(len(edges)):
                    w = edges[col]
                    if w != 0:
                        print(tmp_v, &#39;和&#39;, self.vert_list[col], &#39;的权重为:&#39;, w)
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    测试代码:

    if __name__ == "__main__":
        # 初始化图对象
        g = Graph(5)
        # 添加顶点
        for _ in range(len(g.matrix)):
            v_name = input("顶点的名称( q 为退出):")
            if v_name == &#39;q&#39;:
                break
            v = Vertex(v_name)
            g.add_vertex(v)
    
        # 节点之间的关系
        infos = [(0, 1, 3), (0, 3, 5), (1, 2, 4), (2, 3, 6), (2, 4, 1), (3, 4, 2), (4, 1, 7)]
        for i in infos:
            v = g.find_vertex(i[0])
            v1 = g.find_vertex(i[1])
            g.add_edge(v, v1, i[2])
        # 输出顶点及边a
        print("-----------顶点与顶点关系--------------")
        g.find_vertexes()
        &#39;&#39;&#39;
        输出结果:
        顶点的名称( q 为退出):A
        顶点的名称( q 为退出):B
        顶点的名称( q 为退出):C
        顶点的名称( q 为退出):D
        顶点的名称( q 为退出):E
        [编号为 0,名称为 A ] 的顶点 和 [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 的权重为: 3
    [编号为 0,名称为 A ] 的顶点 和 [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 的权重为: 5
    [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 和 [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 的权重为: 4
    [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 和 [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 的权重为: 6
    [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 和 [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 的权重为: 1
    [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 和 [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 的权重为: 2
    [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 和 [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 的权重为: 7
        &#39;&#39;&#39;
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    3. 搜索路径

    在图中经常做的操作,就是查找从一个顶点到另一个顶点的路径。如怎么查找到 A0 到 E4 之间的路径长度:

    Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    从人的直观思维角度查找一下,可以找到如下路径:

    • {A0,B1,C2,E4}路径长度为 8。

    • {A0,D3,E4} 路径长度为 7。

    • {A0,B1,C2,D3,E4} 路径长度为 15。

    在路径查找时,人的思维具有知识性和直观性特点,因此不存在所谓的尝试或碰壁问题。而计算机是试探性思维,就会出现这条路不通,再找另一条路的现象。

    所以路径算法中常常会以错误为代价,在查找过程中会走一些弯路。常用的路径搜索算法有 2 种:

    • 广度优先搜索

    • 深度优先搜索

    3.1 广度优先搜索

    先看一下广度优先搜索的示意图:

    Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    广度优先搜索的基本思路:

    • 确定出发点,本案例是 A0 顶点

    • 以出发点相邻的顶点为候选点,并存储至队列。

    • 从队列中每拿出一个顶点后,再把与此顶点相邻的其它顶点做为候选点存储于队列。

    • 不停重复上述过程,至到找到目标顶点或队列为空。

    使用广度搜索到的路径与候选节点进入队列的先后顺序有关系。如第 1 步确定候选节点时 B1D3 谁先进入队列,对于后面的查找也会有影响。

    上图使用广度搜索可找到 A0~E4 路径是:

    {A0,B1,D3,C2,E4}

    其实 {A0,B1,C2,E4} 也是一条有效路径,有可能搜索不出来,这里因为搜索到 B1 后不会马上搜索 C2,因为 B3 先于 C2 进入,广度优先搜索算法只能保证找到路径,而不能保存找到最佳路径。

    编码实现广度优先搜索:

    广度优先搜索需要借助队列临时存储选节点,本文使用列表模拟队列。

    在图类中实现广度优先搜索算法的方法:

    class Graph():
        
        # 省略其它代码
    
        &#39;&#39;&#39;
        广度优先搜索算法
        &#39;&#39;&#39;
        def bfs(self, from_v, to_v):
            # 查找与 fv 相邻的节点
            self.find_neighbor(from_v)
            # 临时路径
            lst_path = [from_v]
            # 重复条件:队列不为空
            while len(self.queue_stack) != 0:
                # 从队列中一个节点(模拟队列)
                tmp_v = self.queue_stack.pop(0)
                # 添加到列表中
                lst_path.append(tmp_v)
                # 是不是目标节点
                if tmp_v.v_id == to_v.v_id:
                    self.searchPath.append(lst_path)
                    print(&#39;找到一条路径&#39;, [v_.v_id for v_ in lst_path])
                    lst_path.pop()
                else:
                    self.find_neighbor(tmp_v)
        &#39;&#39;&#39;
        查找某一节点的相邻节点,并添加到队列(栈)中
        &#39;&#39;&#39;
        def find_neighbor(self, find_v):
            if find_v.visited:
                return
            find_v.visited = True
            # 找到保存 find_v 节点相邻节点的列表
            lst = self.matrix[find_v.v_id]
            for idx in range(len(lst)):
                if lst[idx] != 0:
                    # 权重不为 0 ,可判断相邻
                    self.queue_stack.append(self.vert_list[idx])
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    广度优先搜索过程中,需要随时获取与当前节点相邻的节点,find_neighbor() 方法的作用就是用来把当前节点的相邻节点压入队列中。

    测试广度优先搜索算法:

    if __name__ == "__main__":
        # 初始化图对象
        g = Graph(5)
        # 添加顶点
        for _ in range(len(g.matrix)):
            v_name = input("顶点的名称( q 为退出):")
            if v_name == &#39;q&#39;:
                break
            v = Vertex(v_name)
            g.add_vertex(v)
    
        # 节点之间的关系
        infos = [(0, 1, 3), (0, 3, 5), (1, 2, 4), (2, 3, 6), (2, 4, 1), (3, 4, 2), (4, 1, 7)]
        for i in infos:
            v = g.find_vertex(i[0])
            v1 = g.find_vertex(i[1])
            g.add_edge(v, v1, i[2])
    
        print("----------- 广度优先路径搜索--------------")
        f_v = g.find_vertex(0)
        t_v = g.find_vertex(4)
        g.bfs(f_v,t_v)
        &#39;&#39;&#39;
        输出结果
        顶点的名称( q 为退出):A
        顶点的名称( q 为退出):B
        顶点的名称( q 为退出):C
        顶点的名称( q 为退出):D
        顶点的名称( q 为退出):E
    
    
        ----------- 广度优先路径搜索--------------
        找到一条路径 [0, 1, 3, 2, 4]
        找到一条路径 [0, 1, 3, 2, 3, 4]
        &#39;&#39;&#39;
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    使用递归实现广度优先搜索算法:

       &#39;&#39;&#39;
        递归方式实现广度搜索
        &#39;&#39;&#39;
        def bfs_dg(self, from_v, to_v):
            self.searchPath.append(from_v)
            if from_v.v_id != to_v.v_id:
                self.find_neighbor(from_v)
            if len(self.queue_stack) != 0:
                self.bfs_dg(self.queue_stack.pop(0), to_v)
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    3.2 深度优先搜索算法

    先看一下深度优先算法的示意图。

    Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법

    深度优先搜索算法和广度优先搜索算法不同的地方在于:深度优先搜索算法将候选节点放在堆栈中。因栈是先进后出,所以,搜索到的节点顺序不一样。

    使用循环实现深度优先搜索算法:

    深度优先搜索算法需要用到栈,本文使用列表模拟。

        &#39;&#39;&#39;
        深度优先搜索算法
        使用栈存储下一个需要查找的节点
        &#39;&#39;&#39;
        def dfs(self, from_v, to_v):
            # 查找与 from_v 相邻的节点
            self.find_neighbor(from_v)
            # 临时路径
            lst_path = [from_v]
            # 重复条件:栈不为空
            while len(self.queue_stack) != 0:
                # 从栈中取一个节点(模拟栈)
                tmp_v = self.queue_stack.pop()
                # 添加到列表中
                lst_path.append(tmp_v)
                # 是不是目标节点
                if tmp_v.v_id == to_v.v_id:
                    self.searchPath.append(lst_path)
                    print(&#39;找到一条路径:&#39;, [v_.v_id for v_ in lst_path])
                    lst_path.pop()
                else:
                    self.find_neighbor(tmp_v)
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    测试:

    if __name__ == "__main__":
        # 初始化图对象
        g = Graph(5)
        # 添加顶点
        for _ in range(len(g.matrix)):
            v_name = input("顶点的名称( q 为退出):")
            if v_name == &#39;q&#39;:
                break
            v = Vertex(v_name)
            g.add_vertex(v)
    
        # 节点之间的关系
        infos = [(0, 1, 3), (0, 3, 5), (1, 2, 4), (2, 3, 6), (2, 4, 1), (3, 4, 2), (4, 1, 7)]
        for i in infos:
            v = g.find_vertex(i[0])
            v1 = g.find_vertex(i[1])
            g.add_edge(v, v1, i[2])
        # 输出顶点及边a
        print("-----------顶点与顶点关系--------------")
        g.find_vertexes()
    
        print("----------- 深度优先路径搜索--------------")
        f_v = g.find_vertex(0)
        t_v = g.find_vertex(4)
        g.dfs(f_v, t_v)
        &#39;&#39;&#39;
        输出结果
        顶点的名称( q 为退出):A
        顶点的名称( q 为退出):B
        顶点的名称( q 为退出):C
        顶点的名称( q 为退出):D
        顶点的名称( q 为退出):E
        -----------顶点与顶点关系--------------
    [编号为 0,名称为 A ] 的顶点 和 [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 的权重为: 3
    [编号为 0,名称为 A ] 的顶点 和 [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 的权重为: 5
    [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 和 [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 的权重为: 4
    [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 和 [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 的权重为: 6
    [编号为 2,名称为 C ] 的顶点 和 [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 的权重为: 1
    [编号为 3,名称为 D ] 的顶点 和 [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 的权重为: 2
    [编号为 4,名称为 E ] 的顶点 和 [编号为 1,名称为 B ] 的顶点 的权重为: 7
        ----------- 深度优先路径搜索--------------
        找到一条路径: [0, 3, 4]
        找到一条路径: [0, 3, 1, 2, 4]
        &#39;&#39;&#39;
    로그인 후 복사

    使用递归实现深度优先搜索算法:

        &#39;&#39;&#39;
        递归实现深度搜索算法
        &#39;&#39;&#39;
        def def_dg(self, from_v, to_v):
            self.searchPath.append(from_v)
            if from_v.v_id != to_v.v_id:
                # 查找与 from_v 节点相连的子节点
                lst = self.find_neighbor_(from_v)
                if lst is not None:
                    for tmp_v in lst[::-1]:
                        self.def_dg(tmp_v, to_v)
        """
        查找某一节点的相邻节点,以列表方式返回
        """
        def find_neighbor_(self, find_v):
            if find_v.visited:
                return
            find_v.visited = True
            # 查找与 find_v 节点相邻的节点
            lst = self.matrix[find_v.v_id]
            return [self.vert_list[idx] for idx in range(len(lst)) if lst[idx] != 0]
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    递归实现时,不需要使用全局栈,只需要获到当前节点的相邻节点便可。

위 내용은 Python에서 그래프 너비와 깊이 우선 경로 검색 알고리즘을 구현하는 방법의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!

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원천:yisu.com
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