Graph 2 Michael Tsai 2012/5/1 連載: 學生上課睡覺姿勢大全

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1 Graph 2 Michael Tsai 2012/5/1 連載: 學生上課睡覺姿勢大全
Graph 2 Michael Tsai 2012/5/1

2 Breadth-First Tree BFS做出一棵樹: Breadth-First Tree
這個樹其實也就是BFS產生出來的predecessor subgraph of G: 𝐺 𝜋 = 𝑉 𝜋 , 𝐸 𝜋 𝑉 𝜋 = 𝑣∈𝑉:𝑣.𝜋≠𝑁𝐼𝐿 ⋃ 𝑠 𝐸 𝜋 ={ 𝑣.𝜋,𝑣 :𝑣∈ 𝑉 𝜋 − 𝑠 } 從s到任何𝑣∈ 𝑉 𝜋 , 都只有一條path, 而此path即為s到v的最短路徑. 最短路徑的證明在上次的slides最後幾頁

3 Depth-first Search 當可能的時候, 就往更深的地方找去  Depth-first
和Breadth-first Search不同的地方: 會長出一個forest (多棵樹) 會記錄timestamp: 開始找到的時間(變成灰色)和完成所有和它相鄰的vertex的時間(變成黑色)

4 使用的structure 每一個vertex u有以下的structure: u.color: 紀錄目前這個vertex的狀態
WHITE: 這個vertex還沒被discover GRAY: 這個vertex被discover了, 但是和它相連的vertex還沒都被discover BLACK: 這個vertex及和它相連的vertex都已經被discover了 u.pi: 紀錄它的前一個vertex (祖先) 是誰 u.d: discover的時間 (從WHITEGRAY的時間) u.f: finish的時間 (從GRAYBLACK的時間) 時間(timestamp)總共會從1跑到2 𝑉 , 因為每個vertex discover或finish會各增加一次timestamp.

5 Pseudo-Code DFS(G) for each vertex 𝑢∈𝐺.𝑉 time=0
u.color=WHITE u.pi=NIL time=0 if u.color==WHITE DFS-VISIT(G,u) DFS-Visit(G,u) time=time+1 u.d=time u.color=GRAY for each 𝑣∈G.Adj[u] if v.color==WHITE v.pi=u DFS-VISIT(G,v) u.color=BLACK u.f=time

6 如果邊的排列方式(Adjacency List)不同, 很可能會造成DFS出來的結果不同
試試看, 如果<u,x>比<u,v>先被走過, 請問會變怎麼樣?

7 執行時間 DFS(G) for each vertex 𝑢∈𝐺.𝑉 time=0
u.color=WHITE u.pi=NIL time=0 if u.color==WHITE DFS-VISIT(G,u) Θ 𝑉 Θ 𝑉

8 執行時間 總合起來: Θ(𝑉+𝐸) DFS-Visit(G,u) time=time+1 u.d=time u.color=GRAY
for each 𝑣∈G.Adj[u] if v.color==WHITE v.pi=u DFS-VISIT(G,v) u.color=BLACK u.f=time 這個部分對每個vertex v會執行|Adj[v]|次 (vertex v的adjacency list長度) Θ 𝑉 DFS-Visit會執行|V|次 Θ(𝐸) 把所有vertex的adjacency list長度加起來=|E| Θ 𝑉

9 動腦時間 如果我們改用Adjacency Matrix的話, 執行時間會變怎麼樣呢? DFS-Visit(G,u) time=time+1
u.d=time u.color=GRAY for each 𝑣∈G.Adj[u] if v.color==WHITE v.pi=u DFS-VISIT(G,v) u.color=BLACK u.f=time ??

10 Depth-first Forest 類似於breadth-first search, depth-first search也可以產生predecessor subgraph: 𝐺 𝜋 = 𝑉, 𝐸 𝜋 𝐸 𝜋 ={ 𝑣. 𝜋,𝑣 :𝑣∈𝑉 𝑎𝑛𝑑 𝑣. 𝜋≠𝑁𝐼𝐿}. 而Predecessor subgraph正好可以產生一個由多棵depth-first tree組成的 depth-first forest. 在 𝐸 𝜋 裡面的edge叫做tree edge.

11 Depth-first Search的括號結構性質
Parenthesis structure: (括號結構) 如果我們用 (代表 vertex u的discovery被找到 用)代表 vertex u 的結束 則整個dfs的尋找歷史會使得vertex們的左括號和右括號都會不是互相包含 就是相互分離 Reading assignment: 證明請見Cormen課本p

12 白路(White-path) 性質 () : 如果v=u的話, 那設定u.d的時候, u還是白的.
白鷺鷥? 白路(White-path) 性質 從括號結構性質可得: 在depth-first forest of G裡面, v是u的子孫 iff u.d<v.d<v.f<u.f. 在G的depth-search forest裡面: v是u的子孫 設定u.d的時候, u到v有一條全白的路徑 () : 如果v=u的話, 那設定u.d的時候, u還是白的. 如果v真的是u的子孫的話, u.d<v.d (v discover的時間比較晚) 此時v一定還是白的 (才在設定u.d而已) 既然v可以是任何u的子孫的話, 表示在u到v的路上(都是u的子孫)都也應該是白的

13 白路(White-path) 性質 在G的depth-search forest裡面: () :
白鷺鷥? 白路(White-path) 性質 從括號結構性質可得: 在depth-first forest of G裡面, v是u的子孫 iff u.d<v.d<v.f<u.f. 在G的depth-search forest裡面: v是u的子孫 設定u.d的時候, u到v有一條全白的路徑 () : 假設在u.d的時候, 有一條從u到v的全白路徑, 但是v不是u的子孫. 假設在白路徑上, 每個v之外的node, 都變成u的子孫. (意思其實就是取v使得他是u->v白路徑上第一個不是u子孫的node) 取w為v的uv路徑上的前一個 (u和w有可能是同一個點) (1)由括號性質得𝑤.𝑓≤𝑢.𝑓 (2)既然有白路徑, 所以𝑢.𝑑<𝑣.𝑑 (3)v會在w結束前被找到(因為v和w有一條edge) 所以𝑣.𝑑<𝑤.𝑓 合併以上𝑢.𝑑<𝑣.𝑑<𝑤.𝑓≤𝑢.𝑓  v.d被包含在 u.d和u.f中間了 由此可見, [v.d v.f] 應該為包含在 [u.d, u.f]裡面的狀況 v為u之子孫, 矛盾 u w v

14 Depth-first forest 中的edge
有四種: Tree edge: 在depth-first forest裡面的邊叫做tree edge. 如果v是經由(u,v) discover的, 那(u,v)就是tree edge. Back edge: 連接u到它的祖先v的邊(u,v)叫做back edge. Self-loop也算做是back edge的一種. Forward edge: 連接u到它的子孫v的nontree edge (u,v). Cross edge: 所有其他的edge. 可以是連接同一棵depth-first tree的邊, 或者是連接不同depth-first tree的邊.

15 例子 我是栗子

16 如何分辨是什麼邊呢? 當我們第一次碰到edge (u,v)的時候, v的顏色告訴我們它是什麼邊: WHITE  tree edge
GRAY  back edge BLACK  forward 或 cross edge u.d<v.d的話就是一條forward edge u.d>v.d的話就是一條cross edge 在undirected graph的depth-first forest 裡面沒有forward edge or cross edge. 想想看為什麼?

17 萬用DFS 可以用來幹嘛呢? 1. 看某graph G是不是connected 複習: 什麼是connected graph 怎麼做?
2. 列出所有的connected component 複習: 什麼是connected component 後面還有

18 Topological Sort 什麼時候可以修j課程呢? 修完所有edge<i,j>中i課程以後
微積分上 微積分下 機率 計算機網路 計概 計組 作業系統 計程 演算法上 演算法下 什麼時候可以修j課程呢? 修完所有edge<i,j>中i課程以後 所有的”activity”都是發生在vertex上 所以又稱為activity-on-vertex (AOV) network 問: 如何找到一種修課順序呢? 此順序又稱為topological order 要找topological order的graph必須是directed acyclic graph (DAG)

19 Topological Sort Θ 𝑉+𝐸 call DFS(G) 算出每一個vertex v的v.f
每個vertex finish的時候, 就把它放到一個linked list的最前面 把linked list return 領帶 15 16 襪子 1 10 內褲 內褲 8 鞋子 西裝褲 2 7 9 西裝褲 11 14 17 18 襯衫 鞋子 手錶 手錶 3 6 皮帶 12 13 領帶 皮帶 襪子 5 襯衫 外套 外套 4

20 證明topological sort正確 Lemma 22.11: G是acyclic iff G的depth-first search沒有back edges 證明: ()假設有back edge <u,v>, 那麼v在depth-first forest裡面應該是u的祖先 可是這樣的話表示可以用另外一條沿著tree edges從v走到u, 這樣就有 vuv的cycle. 矛盾. 所以應該沒有back edges. ()假設有一個cycle c在G中. v是 c裡面第一個被discover的vertex. <u,v>是c裡面某一條邊. v.d的時候, vu都是白色vertex, 因此根據白路徑定理, u會變成v的子孫, 因此 <u,v>是back edge. 矛盾 因此沒有cycle.

21 證明topological sorting正確
證明: 假設我們在G這個DAG上跑DFS 那麼對任何兩vertex u,v, 如果G裡面有<u,v>, 則v.f<u.f. 說明如下: 某個邊<u,v>被DFS經過的時候, v不可以是灰色的, 因為這樣的話, v就應該會是u的祖先, 這樣的話就有back edge了 (根據前一頁的定理, 矛盾) 所以v只能是黑或白色. 如果v是白色的, 那v就是u的子孫, v.f<u.f 如果v是黑色的, 那v已完成且v.f已經被設定. 但是我們還在從u往外尋找, 還沒有對u.f指定值, 所以 v.f<u.f 所以對任何edge <u,v>, v.f<u.f都成立. v.f值越小的放越後面, 所以只要有<u,v>, u都會比v先做 證畢!

22 Biconnected Components相關名詞
Articulation point: 如果在connected graph G中的的一個vertex v被移除以後(包含v和所有incident在它上面的edge), 新的graph G’會變成有兩塊以上的connected components (複習: 什麼是 connected components) Biconnected graph: 沒有articulation point的graph Biconnected component: maximal biconnected subgraph 這邊maximal是說, 沒有一個可以包含它的subgraph是biconnected的

23 例子 Biconnected components: 8 9 8 9 1 7 7 1 7 1 7 3 5 2 3 5 2 3 5 6 4 6
8 9 8 9 1 7 7 1 7 1 7 3 5 2 3 5 2 3 5 6 4 6 4 猜一猜哪邊是articulation point? (有沒有articulation point?) 加了什麼邊可以讓它變成不是articulation point?

24 例子: 資訊系館網路 實驗室 各樓層研討室 cisco 2960 1G 網路線 cisco 3750 cisco 2960 215 機房
NTU CC Where is the articulation point(s)? How do we eliminate them? PC PC PC

25 DFS另一用途 可以用來尋找articulation point & biconnected components
9 8 9 8 4 3 1 7 7 2 5 2 3 5 6 1 6 4 可以用來尋找articulation point & biconnected components 怎麼用呢? 首先先把graph做一次dfs, 並標上discover的順序 從哪個vertex開始不重要, edge順序也不重要 (真的嗎? 自己驗證看看)

26 尋找articulation point 如果是root的話(開始做dfs的地方), 且有超過一個的children 是articulation point 如果不是root: 當有一個以上的小孩, 無法沿著它自己的後代及一條nontree edge (back edge)到達它的祖先的時候, 則為articulation point 3 1 5 4 5 2 6 2 6 3 1 7 7 8 9 4 9 8

27 尋找articulation point Root有超過一個child即為articulation point
Root有超過一個child即為articulation point 當某vertex v有任何一個child u的low(u)≥v.d時, 則v為articulation point 3 1 5 4 5 2 6 2 6 3 1 7 7 low(u)=min{u.d, min{low(w)|w is a child of u}, min{w.d| (u,w) is a back edge}} 8 9 4 9 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 v.d low

28 尋找articulation point 定義一些function來找articulation point
𝑙𝑜𝑤 𝑢 =min⁡{𝑢.𝑑, min 𝑙𝑜𝑤 𝑤 𝑤 𝑖𝑠 𝑎 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑑 𝑜𝑓 𝑢 , min⁡{𝑤.𝑑| 𝑢,𝑤 𝑖𝑠 𝑎 𝑏𝑎𝑐𝑘 𝑒𝑑𝑔𝑒}}

29 Minimum Cost Spanning Tree
這些接點在不同的位置 要如何把它們通通連接起來呢? 需要有N-1條”電線”, 每一條把兩個接點連接起來 怎麼樣才能使用最短的電線呢? 轉換: G=(V,E) 是undirected graph, V是接點, E所有可能的電線 每一個E (u,v)的weight w(u,v)代表所需使用的電線長度 須找出一個acyclic的subset 𝑇⊆𝐸 連接所有的vertex, 且使𝑤 𝑇 = 𝑢,𝑣 ∈𝑇 𝑤(𝑢,𝑣)

30 Minimum Cost Spanning Tree
T: acyclic且連接所有vertex, 所以為一棵tree且span到整個graph, 所以稱為spanning tree. 複習: Spanning tree須滿足那些條件? 1. 因為是tree, 所以沒有cycle 2. 因為是tree, 所以正好有n-1個edge 下面介紹三種使用greedy algorithm產生minimum cost spanning tree的方法

31 一般型Minimum Spanning Tree演算法
GENERIC-MST(G,w) while A does not form a spanning tree find an edge (u,v) that is safe for A A=A⋃{ 𝑢,𝑣 } return A A是最終的MST的edge的subset 隨時A都保持acyclic隨時 𝐺 𝐴 =(𝑉,𝐴) 都是一個forest 每次都選一個edge, 把 𝐺 𝐴 中兩棵tree連接起來 (因為不能出現cycle) 最後共選|V|-1條邊 下面三個algorithm的前兩個都是用這個方法 Reading Assignment: 課本23.1

32 Kruskal’s algorithm 這個方法是我覺得最直觀的方法. MST-KRUSKAL(G,w) A={}
管理set的一些工具function: MAKE-SET(v): 創造一個set FIND-SET(v): 找到這個set的頭頭(id) UNION(u,v): 把兩個set合併起來 這個方法是我覺得最直觀的方法. MST-KRUSKAL(G,w) A={} for each vertex 𝑣∈𝐺.𝑉 MAKE-SET(v) sort G.E by w for each edge (u,v) ∈𝐺.𝐸 if FIND-SET(u)≠FIND-SET(v) A=A⋃{(u,v)} UNION(u,v) return A 28 10 1 14 5 16 6 25 24 18 2 4 12 22 3

33 Kruskal’s algorithm MST-KRUSKAL(G,w) A={} for each vertex 𝑣∈𝐺.𝑉
管理set的資料結構相關內容請見課本21章 Kruskal’s algorithm 管理set的一些工具function: MAKE-SET(v), FIND-SET(v), & UNION(u,v) 執行共m個operation的時候(n個item) 則執行時間為𝑂 𝑚𝛼 𝑛 MST-KRUSKAL(G,w) A={} for each vertex 𝑣∈𝐺.𝑉 MAKE-SET(v) sort G.E by w for each edge (u,v) ∈𝐺.𝐸 if FIND-SET(u)≠FIND-SET(v) A=A⋃{(u,v)} UNION(u,v) return A 𝑉 次 𝑂(𝐸 log 𝐸 ) 𝑂(𝐸)次 𝑂( 𝑉+𝐸 𝛼(𝑉)) 𝑂(𝐸)次 𝐸 ≥ 𝑉 −1 since G is connected 𝛼 𝑉 =𝑂 log 𝑉 =𝑂( log 𝐸 ) 𝑂(𝐸𝛼 𝑉 ) 𝑂 𝐸 log 𝑉 𝐸 < 𝑉 2 , 所以 log 𝐸 =𝑂( log 𝑉 )

34 證明題 證明Kruskal’s algorithm會產生出minimum cost spanning tree.
(1) 證明當某graph有spanning tree的時候, Kruskal’s algorithm會產生出spanning tree. (2) 證明這個產生出來的spanning tree一定是cost最小的. 證明(1): 什麼時候某graph一定有spanning tree呢? 原本是connected的 Algorithm什麼時候會停下來呢? (1) 當T裡面已經有n-1個edge了, 且正好每個edge都處理完畢 (成功, 不管它) (2) T裡面還沒有n-1個edge, 但是每個edge都處理完畢, 而有些node沒有連接到 (我們的algorithm會不會造成這樣的情形呢?) 但是我們的程式只會把造成cycle的edge丟掉, 當把造成cycle的edge丟掉的時候, 不會因此讓某個node在T裡面沒有跟其他vertex connected. 所以不會造成(2)的情形

35 證明題 證明(2) 假設T是用我們的algorithm做出來的spanning tree
假設U是某一個minimum cost spanning tree (可能有很多個, 其中一個) 既然都是spanning tree, T和U都有n-1個edge 有兩種情形: (1) T和U一模一樣, 則T就是minimum cost spanning tree (沒什麼好證的) (2)T和U不一樣. 則我們假設它們有k條edge不一樣, 𝑘>0.

36 證明題 每次我們從T取出k條不一樣的edge中其中一條(此edge不在U中), 從cost最小的開始到cost最大的.
把這條edge(我們叫它t)加入U的時候, 會產生一個cycle在U中 這個cycle裡面, 一定有某一條edge不在T裡面, 我們叫它u (因為T沒有cycle). 我們把u從U拿掉, 這個新的spanning tree叫做V V的total cost就是 cost(U)-cost(u)+cost(t). U V T t u k條不在U中的, 其中最小的為t

37 證明題 但是cost(t)不能小於cost(u), 否則V就比U的cost少了 (contradiction)
不然當初我們做T的時候, 應該會先選到u, 但是因為它會造成cycle所以才不選它. 所以u和所有在T裡面cost跟cost(u)一樣大或者更小的edge會造成cycle. 但是剛剛既然我們先選到t (在T裡面不在U裡面最小的一個), 表示這些cost跟cost(u)一樣大或者更小的edge都在U裡面 表示u和這些edge都在U裡面, U會有cycle (contradiction)

38 證明題 搞了半天, 目前可以證明cost(t)=cost(u) 所以cost(V)=cost(U)
重複以上步驟, 可以最後變成 V=T 且 cost(V)=cost(T)=cost(U) 所以T也是minimum cost spanning tree

39 Today’s Reading Assignment
Cormen Minimum Spanning Tree的部分: Cormen 23的內容比較困難, 有時間的同學可以挑戰看看! 或者也可以看Karumanchi 9.8

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