Pesquisa em profundidade. 1 - Grafos não dirigidos

Transcrição

1 Pesquisa em profundidade void dfs( Vertex v ) //epth-first search v.visited = true; for each w adjacent to v if(! w.visited ) dfs( w ); generalização da travessia em pré-ordem squema básico da pesquisa em profundidade começando num vértice v, processa-se v e depois atravessa-se recursivamente todos os vértices adjacentes a v executada numa árvore visita sistemática de todos os vértices, tempo O( ) executada num grafo arbitrário evitar os ciclos marcar os nós visitados para impedir a repetição grafo não dirigido/não conexo ou dirigido/não fortemente conexo: ficando vértices por visitar percorrer lista de nós até ao seguinte não marcado Grafos Grafos não dirigidos grafo árvore de expansão em profundidade um grafo não dirigido é conexo uma pesquisa em profundidade a começar em qualquer nó visita todos os nós começa-se por marcar ; 1º adjacente: ; recorre - ao processar (v,w), se w não estiver marcado acrescenta-se a aresta na árvore - se já estiverem ambos marcados, acrescenta-se uma aresta de retorno (a ponteado) que não pertence à árvore (todas as arestas do grafo estão na árvore total) árvore simula a pesquisa; numeração em pré-ordem pelas arestas da árvore dá a ordem de marcação dos vértices Grafos - 53 ristina Ribeiro Grafos- 1

2 2 - iconectividade Grafo Grafo conexo conexo não não dirigido dirigido éébiconexo se se não não existe existe nenhum nenhum vértice vértice cuja cuja remoção torne torne o resto resto do do grafo grafo desconexo plicação - rede com tolerância a falhas Pontos de articulação - vértices que tornam o grafo desconexo (críticos) lgoritmo de detecção de pontos de articulação em tempo linear início num vértice qualquer pesquisa em profundidade, numerando os vértices ao visitá-los Num(v), em pré-ordem para cada vértice na árvore de expansão calcular Low(v), o menor número de vértice que se atinge com zero ou mais arestas na árvore e possivelmente uma aresta de retorno (computável com travessia em pós-ordem) Grafos - 54 Pontos de articulação Low(v) é mínimo de Num(v) o menor Num(w) de todas as arestas (v,w) de retorno o menor Low(w) de todos as arestas (v,w) da árvore álculo de Low(v) primeiro para os filhos e depois para o pai arestas (v,w) são da árvore se Num(v) < Num(w); de retorno no caso inverso basta percorrer a lista de adjacências; O( + V ) Vértice v é ponto de articulação se tiver um filho w tal que Low(w) Num(v) raiz é ponto de articulação sse tiver mais que um filho na árvore Grafos - 55 ristina Ribeiro Grafos- 2

3 etecção de pontos de articulação grafo F,1/1,2/1 árvores de expansão em profundidade,2/1,1/1 G,7/7 G,3/1 F,4/2,3/2,5/1,4/1 G,7/7,6/1 F,6/4,5/4 v, Num(v)/Low(v) Pontos de articulação: e Grafos - 56 Três passagens? // tribui numero e calcula pai // ontador global e inicializado a 1 // tribui Low // Testa Pontos de rticulação void assignnum( Vertex v) v.num = counter++; v.visited = true; for each w adjacent to v if(!w.visited ) w.parent = v; assignnum(w); Num(v) pre-ordem Low(v) pos-ordem pontos de articulação pos-ordem combinados void assignlow( Vertex v) v.low = v.num; //regra 1 for each w adjacent to v if(w.num > v.num) //ramo árvore assignlow(w); if( w.low >= v.num ) System.out.println(v, Ponto de articulação ); v.low = min(v.low, w.low); //regra 3 else if ( v.parent!= w ) //retorno v.low = min(v.low, w.num); //regra 2 Grafos - 57 ristina Ribeiro Grafos- 3

4 Uma só pesquisa em profundidade // Procura Pontos de rticulação // ontador global e inicializado a 1 void findrt( Vertex v) v.visited = true; v.low = v.num = counter++; //regra 1 for each w adjacent to v if(!w.visited ) //ramo árvore w.parent = v; findrt(w); if(w.low >= v.num ) System.out.println(v, Ponto de articulação ); v.low = min(v.low, w.low); //regra 3 else if ( v.parent!= w ) //retorno v.low = min(v.low, w.num); //regra 2 ombina o pré-processamento e o pós-processamento numa única passagem Grafos ircuitos de uler Puzzle: desenhar as figuras abaixo sem levantar o lápis e sem repetir arestas; de preferência, terminando no mesmo vértice em que iniciar. Reformulação do problema em Teoria de Grafos: pôr um vértice em cada intersecção aminho de de uler: uler: caminho que que visita visita cada cada aresta aresta exactamente uma uma vez vez problema resolvido por uler em 1736 e que marca o início da Teoria dos Grafos Grafos - 59 ristina Ribeiro Grafos- 4

5 Solução condição necessária circuito de uler: número de arestas convergentes em cada vértice é par - o ciclo entra tantas vezes em vértices quantas sai caminho de uler: idem, excepto possivelmente em dois vértices - o primeiro e o último; no caso de haver mais vértices com número ímpar de arestas é impossível condição suficiente se se verificarem as condições acima, então existe circuito (caminho) de uler método: pesquisa em profundidade O( + V ) principal problema: fazer um curto-circuito e deixar arestas de fora correcção - procurar o primeiro vértice no caminho obtido que possua uma aresta não percorrida - lançar uma sub-pesquisa em profundidade - inserir o resultado no caminho principal (usar lista ligada) iclo Hamiltoniano: ciclo simples que visita todos os vértices? (vê-se depois) Grafos - 60 xemplo de um circuito Grafo: existe caminho de uler epois de fazer caminho 5, 4, 10, 5 Grafos - 61 ristina Ribeiro Grafos- 5

6 xemplo de um circuito epois de fazer caminho 5, 4, 1,3,7,4,11,10,7,9,3,4,10, epois de fazer caminho 5, 4, 1, 3, 2, 8, 9, 6, 3, 7, 4, 11, 10, 7, 9, 3, 4, 10, 5 Grafos Grafos dirigidos (também) atravessáveis em tempo linear por pesquisa em profundidade (serve para detectar se grafo é acíclico) problema: se não for fortemente conexo, pesquisa em profundidade pode não visitar todos os nós recomeçar a pesquisa num nó não visitado (nova raiz ) G F H J I Grafos - 63 ristina Ribeiro Grafos- 6

7 Árvore de expansão pesquisa em profundidade induz uma árvore/floresta de expansão para além das arestas genuínas da árvore, há arestas para nós já marcados - arestas de retorno para um antepassado (,), (I,H) - arestas de avanço para um descendente (,), (,) - arestas cruzadas para um nó não relacionado (F,), (G,F) alguns algoritmos necessitam de distinguir estas categorias de arestas H F J G I Grafos - 64 Método: omponentes fortemente conexos pesquisa em profundidade no grafo G determina floresta de expansão, numerando vértices em pós-ordem inverter todas as arestas de G Gr segunda pesquisa em profundidade, em Gr, começando sempre pelo vértice de numeração mais alta ainda não visitado cada árvore obtida é um componente fortemente conexo, i.e., a partir de um qualquer dos nós pode chegar-se a todos os outros Prova mesmo componente mesma árvore de expansão se dois vértices v e w estão no mesmo componente, há caminhos de v para w e de w para v em G e em Gr; se v e w não pertencerem à mesma árvore de expansão, também não estão no mesmo componente mesma árvore de expansão mesmo componente i.e., há caminhos de v para w e de w para v ou, equivalentemente, se x for a raiz de uma árvore de expansão em profundidade, há caminhos de x para v e de v para x, de x para w e de w para x e portanto entre v e w como v é descendente de x na árvore de Gr, há um caminho de x para v em Gr, logo de v para x em G; como x é a raiz tem o maior número de pós-ordem na primeira pesquisa; portanto, na primeira pesquisa, todo o processamento de v se completou antes de o trabalho em x ter terminado; como há um caminho de v para x, segue-se que v tem que ser um descendente de x na árvore de expansão caso contrário v terminaria depois de x; isto implica um caminho de x para v em G. Grafos - 65 ristina Ribeiro Grafos- 7

8 omponentes fortemente conexos,3,6 G,10,2,4 F,5 H,9,1 J,8 I,7 G r : obtido de G por inversão de todas as arestas Numeração: da travessia de G em pós-ordem Grafos - 66 omponentes fortemente conexos G H I J F Travessia em pós-ordem de G r omponentes fortemente conexos: G, H, I, J,,,, F,, Grafos - 67 ristina Ribeiro Grafos- 8