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给定有向图 $G=(V,E)$,请说明如何创建另一个图$G'=(V,E')$,使得:(a)$G'$的强连通分量与$G$的相同,(b)$G'$的分量图与$G$的相同,以及(c ) $E'$所包含的边尽可能少。请给出一个计算图$G'$的快速算法。如果要写代码,请用go语言。

要创建一个新图\(G'\),满足条件(a)、(b)和©,可以采取以下步骤:

  1. 使用强连通分量算法(例如Tarjan算法)对图\(G\)进行处理,找到所有的强连通分量。记为\(SCC_1, SCC_2, \ldots, SCC_k\)

  2. 构建一个空的图\(G'\),其中顶点集合与原始图\(G\)相同。

  3. 遍历每个强连通分量\(SCC_i\),若该分量只包含一个节点,则在\(G'\)中添加该节点。 否则,在\(G'\)中添加一个虚拟节点代表该强连通分量,并将该虚拟节点与分量内的所有实际节点连接起来。

  4. 对于原始图中的每条边\((u,v)\),若边所连接的两个顶点属于不同的强连通分量,则在\(G'\)中添加一条边从源强连通分量指向目标强连通分量。

这样构造得到的图\(G'\)满足条件(a)、(b)和©,即与原始图具有相同的强连通分量和分量图,并且所包含的边尽可能少。

以下是用Go语言实现上述算法的示例代码:

  1. package main
  2. import (
  3. "fmt"
  4. )
  5. type Graph struct {
  6. vertices []int
  7. edges map[int][]int
  8. }
  9. func NewGraph() *Graph {
  10. return &Graph{
  11. vertices: []int{},
  12. edges: make(map[int][]int),
  13. }
  14. }
  15. func (g *Graph) AddVertex(v int) {
  16. g.vertices = append(g.vertices, v)
  17. }
  18. func (g *Graph) AddEdge(u, v int) {
  19. g.edges[u] = append(g.edges[u], v)
  20. }
  21. type SCC struct {
  22. index int
  23. lowlink map[int]int
  24. onStack map[int]bool
  25. stack []int
  26. sccComponents [][]int
  27. }
  28. func NewSCC(graph *Graph) *SCC {
  29. return &SCC{
  30. index: 0,
  31. lowlink: make(map[int]int),
  32. onStack: make(map[int]bool),
  33. stack: []int{},
  34. sccComponents: [][]int{},
  35. }
  36. }
  37. func (scc *SCC) TarjanAlgorithm(graph *Graph) [][]int {
  38. for _, v := range graph.vertices {
  39. if scc.lowlink[v] == 0 {
  40. scc.strongConnect(v, graph)
  41. }
  42. }
  43. return scc.sccComponents
  44. }
  45. func (scc *SCC) strongConnect(v int, graph *Graph) {
  46. scc.index++
  47. scc.lowlink[v] = scc.index
  48. scc.stack = append(scc.stack, v)
  49. scc.onStack[v] = true
  50. for _, w := range graph.edges[v] {
  51. if scc.lowlink[w] == 0 { // w has not yet been visited
  52. scc.strongConnect(w, graph)
  53. scc.lowlink[v] = min(scc.lowlink[v], scc.lowlink[w])
  54. } else if scc.onStack[w] { // w is in the current SCC being built
  55. scc.lowlink[v] = min(scc.lowlink[v], scc.lowlink[w])
  56. }
  57. }
  58. if scc.lowlink[v] == scc.index {
  59. component := []int{}
  60. w := -1
  61. for w != v {
  62. w, scc.stack = scc.stack[len(scc.stack)-1], scc.stack[:len(scc.stack)-1]
  63. scc.onStack[w] = false
  64. component = append(component, w)
  65. }
  66. scc.sccComponents = append(scc.sccComponents, component)
  67. }
  68. }
  69. func min(a, b int) int {
  70. if a < b {
  71. return a
  72. }
  73. return b
  74. }
  75. func buildNewGraph(graph *Graph, sccComponents [][]int) *Graph {
  76. newGraph := NewGraph()
  77. nodeMap := make(map[int]int)
  78. for i, component := range sccComponents {
  79. if len(component) > 1 { // Create virtual node for the SCC
  80. virtualNode := -i - 1
  81. nodeMap[virtualNode] = virtualNode
  82. newGraph.AddVertex(virtualNode)
  83. for _, node := range component {
  84. nodeMap[node] = virtualNode
  85. for _, neighbor := range graph.edges[node] {
  86. if nodeMap[neighbor] != virtualNode { // Add inter-component edge
  87. newGraph.AddEdge(virtualNode, neighbor)
  88. }
  89. }
  90. }
  91. } else { // Component with single node
  92. nodeMap[component[0]] = component[0]
  93. newGraph.AddVertex(component[0])
  94. }
  95. }
  96. for u, neighbors := range graph.edges { // Add intra-component edges within SCCs in new graph
  97. for _, v := range neighbors {
  98. if nodeMap[u] != nodeMap[v] { // Edge between different components in original graph
  99. newGraph.AddEdge(nodeMap[u], nodeMap[v]) // Add edge in new graph
  100. }
  101. }
  102. }
  103. return newGraph
  104. }
  105. func main() {
  106. // 构建原始图
  107. graph := NewGraph()
  108. graph.AddVertex(1)
  109. graph.AddVertex(2)
  110. graph.AddVertex(3)
  111. graph.AddVertex(4)
  112. graph.AddVertex(5)
  113. graph.AddEdge(1, 2)
  114. graph.AddEdge(2, 3)
  115. graph.AddEdge(3, 1)
  116. graph.AddEdge(4, 2)
  117. graph.AddEdge(4, 5)
  118. // 使用Tarjan算法获取强连通分量
  119. scc := NewSCC(graph)
  120. sccComponents := scc.TarjanAlgorithm(graph)
  121. // 构建新图
  122. newGraph := buildNewGraph(graph, sccComponents)
  123. fmt.Println("Original Graph:")
  124. fmt.Println("Vertices:", graph.vertices)
  125. fmt.Println("Edges:", graph.edges)
  126. fmt.Println("\nNew Graph:")
  127. fmt.Println("Vertices:", newGraph.vertices)
  128. fmt.Println("Edges:", newGraph.edges)
  129. }

这段代码首先定义了一个Graph结构来表示图,包含顶点和边的信息。然后定义了一个SCC结构来实现Tarjan算法进行强连通分量的计算。接着使用上述步骤中的算法来创建新图\(G'\),并最终输出结果。

希望以上代码可以帮助到您!


内容由零声教学AI助手提供,问题来源于学员提问

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