文章目录
- 零、哥尼斯堡七桥问题
- 一、欧拉图
- 1.1 相关概念
- 1.2 判别法(不做证明)
- 1.3 Hierholzer算法
- 1.4 代码实现
- 1.4.1 邻接表存图
- 1.4.2 链式前向星存图
- 二、OJ练习
- 2.1 模板1
- 2.2 模板2
- 2.3 重新安排行程
- 2.4 合法重新排列数对
- 2.5 破解保险箱
- 2.6 骑马修栅栏
- 2.7 Domino
- 2.7 词链
- 2.8 瑞瑞的木棍
- 2.9 无序字母对
- 2.10 Watchcow S
零、哥尼斯堡七桥问题
这是个脍炙人口的问题。
莱昂哈德·欧拉在1735年提出:河中心有两个小岛。小岛与河的两岸有七条桥连接。在所有桥都只能走一遍的前提下,如何才能把这个地方所有的桥都走遍?
事实上,上图是不存在这样的方案的。
欧拉把问题的实质归于一笔画问题,即判断一个图是否能够遍历完所有的边而没有重复,而柯尼斯堡七桥问题则是一笔画问题的一个具体情境。
随着图论的发展,我们将上述问题归结为 欧拉路径 问题。
一、欧拉图
1.1 相关概念
欧拉回路:通过图中每条边恰好一次的回路
欧拉通路:通过图中每条边恰好一次的通路(注意通路无环)
**欧拉图:**具有欧拉回路的图
**半欧拉图:**具有欧拉通路但不具有欧拉回路的图
1.2 判别法(不做证明)
无向图:
- 存在欧拉通路的充要条件:
- 非零度顶点是连通的
- 恰有 2 个奇度顶点
- 存在欧拉回路的充要条件:
- 非零度顶点是连通的
- 顶点的度数都是偶数
有向图:
- 存在欧拉通路的充要条件:
- 非零度顶点是弱连通的
- 至多一个顶点的出度与入度之差为 1
- 至多一个顶点的入度与出度之差为 1
- 其他顶点的入度和出度相等
- 存在欧拉回路的充要条件:
- 非零度顶点是强连通的
- 每个顶点的入度和出度相等
1.3 Hierholzer算法
Hierholzer算法 也称逐步插入回路法,是一个非常简单且容易理解的算法。
算法流程
- 根据无向图/有向图,要找的是欧拉通路/欧拉路径,选择起始结点u
- 遍历 u 的出边 (u, v)
- 删掉 (u, v)
- 递归进 v,做同样操作
- 回溯时,将边(u, v) 加入答案数组
- 最终得到的ans 就是欧拉路径的逆序,因为我们是在回溯后才加边的,所以是逆序
- 时间复杂度: O(M)
1.4 代码实现
1.4.1 邻接表存图
邻接表实现不容易写错, 而且对于某些恶心题目要求字典序输出我们可以直接排序
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
while (adj[u].size()) {
int v = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
self(self, v);
ans.emplace_back(u, v);
}
};
1.4.2 链式前向星存图
链式前向星主要防卡常, 但是逻辑没捋顺容易写挂.
链式前向星的删边操作就是标记数组 + 当前弧优化
// int head[N], idx;
// bool used[M];
// struct edge{
// int v, nxt;
// } adj[M];
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
for (int& i = head[u]; ~i; ) {
int j = (t == 1 ? i / 2 + 1 : i + 1);
if (used[j]) {
i = adj[i].nxt;
continue;
}
int v = adj[i].v, id = (t == 1 && (i & 1)) ? -j : j;
used[j] = true;
i = adj[i].nxt;
self(self, v);
ans.push_back(id);
}
};
二、OJ练习
2.1 模板1
原题链接
P7771 【模板】欧拉路径 - 洛谷 | 计算机科学教育新生态 (luogu.com.cn)
思路分析
由于要字典序最小的方案,我们用邻接表存图
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
#include <ranges>
#define sc scanf
// #define DEBUG
using u32 = unsigned;
using i64 = long long;
using u64 = unsigned long long;
using i128 = __int128;
using PII = std::pair<int, int>;
constexpr int inf32 = 1E9 + 7;
constexpr i64 inf64 = 1e18 + 7;
constexpr int P = 1E9 + 7;
constexpr double eps = 1E-6;
void solve()
{
int n, m;
std::cin >> n >> m;
std::vector<std::vector<int>> adj(n);
std::vector<int> in(n), out(n);
for (int i = 0, u, v; i < m; ++ i) {
std::cin >> u >> v;
-- u, -- v;
adj[u].push_back(v);
++ out[u], ++ in[v];
}
int st = -1, ed = -1;
for (int i = 0; i < n; ++ i) {
if (out[i] - in[i] == 1) {
if (~st) {
std::cout << "No\n";
return;
}
else
st = i;
}
else if (in[i] - out[i] == 1) {
if (~ed) {
std::cout << "No\n";
return;
}
else
ed = i;
}
else if(in[i] != out[i]) {
std::cout << "No\n";
return ;
}
std::sort(adj[i].begin(), adj[i].end(), std::greater<int>());
}
if (st == -1)
st = 0;
std::vector<PII> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
while (adj[u].size()) {
int v = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
self(self, v);
ans.emplace_back(u, v);
}
};
dfs(dfs, st);
std::reverse(ans.begin(), ans.end());
std::cout << ans[0].first + 1 << ' ';
for (auto& [u, v] : ans)
std::cout << v + 1 << ' ';
}
int main()
{
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
std::ios::sync_with_stdio(false), std::cin.tie(nullptr), std::cout.tie(nullptr);
int _ = 1;
// std::cin >> _;
while (_--)
solve();
return 0;
}
2.2 模板2
原题链接
#10105. 「一本通 3.7 例 1」欧拉回路
思路分析
对于无向图, 这里边集数组下标从0开始, 所以对应原边编号是 i / 2 + 1, 根据奇偶决定是否乘-1
删边也是根据编号删除, 因为无向图的双向边走一个方向另一个方向就不能走了
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
constexpr int N = 1E5 + 10, M = 4E5 + 10;
int head[N], idx;
int n, m, t;
int in[N], out[N];
bool used[M];
struct edge{
int v, nxt;
} adj[M];
void addedge(int u, int v) {
adj[idx] = { v, head[u] }, head[u] = idx ++;
}
auto init = []() {
memset(head, -1, sizeof head);
return 0;
}();
int main() {
// freopen("in.txt", "r", stdin);
// freopen("out.txt", "w", stdout);
std::ios::sync_with_stdio(false), std::cin.tie(nullptr);
std::cin >> t;
std::cin >> n >> m;
for (int i = 1, u, v; i <= m; ++ i) {
std::cin >> u >> v;
addedge(u, v);
if (t == 1)
addedge(v, u);
++ in[v], ++ out[u];
}
std::vector<int> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
for (int& i = head[u]; ~i; ) {
int j = (t == 1 ? i / 2 + 1 : i + 1);
if (used[j]) {
i = adj[i].nxt;
continue;
}
int v = adj[i].v, id = (t == 1 && (i & 1)) ? -j : j;
used[j] = true;
i = adj[i].nxt;
self(self, v);
ans.push_back(id);
}
};
for (int i = 1; i <= n; ++ i) {
if (t == 1) {
if (in[i] + out[i] & 1) {
std::cout << "NO\n";
return 0;
}
}
else {
if (in[i] != out[i]) {
std::cout << "NO\n";
return 0;
}
}
}
if (idx)
dfs(dfs, adj[idx - 1].v);
if (ans.size() != m) {
std::cout << "NO\n";
return 0;
}
std::reverse(ans.begin(), ans.end());
std::cout << "YES\n";
for (int x : ans)
std::cout << x << ' ';
return 0;
}
2.3 重新安排行程
原题链接
332. 重新安排行程
思路分析
题目意思就是让求欧拉路径, 而且起点给了, 那也不用管什么通路/回路, 出入度了, 直接跑板子
记得对边进行排序
AC代码
class Solution {
public:
vector<string> findItinerary(vector<vector<string>>& tickets) {
unordered_map<string, vector<string>> adj;
for (auto& e : tickets)
adj[e[0]].emplace_back(e[1]);
for (auto& p : adj)
sort(p.second.rbegin(), p.second.rend());
vector<string> res;
auto dfs = [&](auto&& self, const string& u) -> void {
while (adj[u].size()) {
string v = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
self(self, v);
}
res.emplace_back(u);
};
dfs(dfs, "JFK");
std::reverse(res.begin(), res.end());
return res;
}
};
2.4 合法重新排列数对
原题链接
2097. 合法重新排列数对
思路分析
又是板子题, 由于没说是通路还是回路, 所以我们先按无向图找通路起点, 找不到就说明是回路, 随便找个起点就行
AC代码
python3
class Solution:
def validArrangement(self, pairs: List[List[int]]) -> List[List[int]]:
g = defaultdict(list)
ind, outd = Counter(), Counter()
for x, y in pairs:
g[x].append(y)
ind[y] += 1
outd[x] += 1
st = pairs[0][0]
for x, y in pairs:
if outd[x] - ind[x] == 1:
st = x
break
ret = []
def dfs(x: int) -> None:
while g[x]:
y = g[x].pop()
dfs(y)
ret.append([x, y])
dfs(st)
return ret[::-1]
cpp
class Solution {
public:
vector<vector<int>> validArrangement(vector<vector<int>>& pairs) {
unordered_map<int, vector<int>> g;
unordered_map<int, int> outd, ind;
for(auto& e : pairs){
int x = e[0], y = e[1];
g[x].push_back(y);
outd[x] ++, ind[y] ++;
}
int st = pairs[0][0];
for(auto& e : pairs){
int x = e[0], y = e[1];
if(outd[x] == ind[x] + 1) {
st = x;
break;
}
}
vector<vector<int>> res;
function<void(int)> dfs = [&](int x){
while(g[x].size()){
int y = g[x].back();
g[x].pop_back();
dfs(y);
res.push_back({x, y});
}
};
dfs(st);
reverse(res.begin(), res.end());
return res;
}
};
2.5 破解保险箱
原题链接
753. 破解保险箱
思路分析
我们将 n - 1 位数 看为节点,则有 k n − 1 k^{n-1} kn−1 个结点,每个结点有 k 个入边和出边
从 a 1 a 2 . . . a n − 1 a_1 a_2 ... a_{n-1} a1a2...an−1 到 a 2 a 2 . . . a n − 1 x a_2 a_2 ... a_{n-1}x a2a2...an−1x 这条边相当于 输入了数字x
每个节点加上一条出边就可以得到一个n位数,也就是说每个结点可以得到k个n位数, k n − 1 k^{n-1} kn−1 个结点一共可以得到 k n k^{n} kn 个n位数,不重不漏
由于每个结点出度入度相等都为k,且强连通,于是图中存在欧拉回路,我们求欧拉回路即可得答案
实际中我们不需要建图,用哈希表标记结点即可
AC代码
class Solution {
public:
string crackSafe(int n, int k) {
unordered_set<int> st;
string res;
int base = pow(10, n - 1);
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
for (int i = 0; i < k; ++ i) {
int v = u * 10 + i;
if (!st.count(v)) {
st.insert(v);
self(self, v % base);
res += '0' + i;
}
}
};
dfs(dfs, 0);
return res += string(n - 1, '0');
}
};
2.6 骑马修栅栏
原题链接
洛谷 P2731 骑马修栅栏
思路分析
题意比较直白,就是求欧拉路径,套板子即可
由于没给点数,而数据量较小且要求字典序,于是使用邻接矩阵存图
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
constexpr int N = 500;
void solve() {
int m;
std::cin >> m;
std::unordered_map<int, std::unordered_map<int, int>> adj;
std::unordered_map<int, int> d;
for (int i = 0, u, v; i < m; ++ i) {
std::cin >> u >> v;
++ adj[u][v];
++ adj[v][u];
++ d[u], ++ d[v];
}
int st = 0;
for (int u = 1; u <= N; ++ u) {
if (!st && d.count(u))
st = u;
if (d[u] & 1) {
st = u;
break;
}
}
std::vector<int> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
for (int v = 1; v <= 500; ++ v)
if (adj[u][v]) {
-- adj[u][v];
-- adj[v][u];
self(self, v);
}
ans.push_back(u);
};
dfs(dfs, st);
std::reverse(ans.begin(), ans.end());
for (int x : ans) std::cout << x << '\n';
}
auto init_ = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}
2.7 Domino
原题链接
SGU 101 Domino
思路分析
乍一看让找哈密顿路径,要是存在的话还行,我们通常用状压dp解决,但是不存在的话就麻烦了。
我们继续观察,发现我们把数字当作结点,每块骨牌当作边,问题就转化成了一个有n条边的图,我们要让每条边出现一次
这就变成了欧拉路径问题了
本题时间限制卡在0.25 second,但是点也就7个,边也就200条,还是跑得飞快的
注意无向图存在欧拉通路和欧拉回路的条件
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
const int N = 7, M = 210;
int head[N], idx;
struct edge {
int v, nxt, id;
} adj[M];
void addedge(int u, int v, int id) {
adj[idx] = { v, head[u], id }, head[u] = idx ++;
}
int d[N];
bool used[M];
auto clear = []{
memset(head, -1, sizeof head);
// memset(used, 0, sizeof used);
// memset(d, 0, sizeof d);
// idx = 0;
return 0;
}();
void solve() {
int n;
std::cin >> n;
for (int i = 1, u, v; i <= n; ++ i) {
std::cin >> u >> v;
addedge(u, v, i), addedge(v, u, -i);
++ d[u], ++ d[v];
}
int st = -1, c = 0;
for (int i = 0; i < N; ++ i) {
if (d[i] & 1)
st = i, ++ c;
if (st == -1 && d[i])
st = i;
}
if (c != 2 && c != 0) {
std::cout << "No solution";
return;
}
std::vector<std::pair<int, char>> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
for (int& i = head[u]; ~i; ) {
int v = adj[i].v, id = adj[i].id;
i = adj[i].nxt;
if (used[abs(id)]) {
continue;
}
used[abs(id)] = true;
self(self, v);
ans.emplace_back(abs(id), id > 0 ? '+' : '-');
}
};
dfs(dfs, st);
if (ans.size() != n) {
std::cout << "No solution";
return;
}
std::reverse(ans.begin(), ans.end());
for (auto& [id, c] : ans)
std::cout << id << ' ' << c << '\n';
}
auto init_ = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}
2.7 词链
原题链接
洛谷 P1127 词链
思路分析
如果将单词看作点,则会是一个哈密顿路径问题
如果我们把单词看作边,就是一个欧拉回路问题
我们将单词看作边,开头字母结尾字母看作点
那么就会得到26个点,n条边的有向图
我们求欧拉路径(通路或回路)即可
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
void solve() {
int n;
std::cin >> n;
std::vector<std::string> words(n);
std::vector<std::vector<std::pair<int, int>>> adj(26);
std::vector<int> in(26), out(26);
for (int i = 0; i < n; ++ i) {
std::cin >> words[i];
adj[words[i][0] - 'a'].emplace_back(i, words[i].back() - 'a');
++ out[words[i][0] - 'a'], ++ in[words[i].back() - 'a'];
}
int st = -1, c0 = 0, c1 = 0;
for (int i = 0; i < 26; ++ i) {
if (out[i] - in[i] == 1) {
st = i;
++ c0;
}
if (in[i] - out[i] == 1) {
++ c1;
}
if (st == -1 && out[i])
st = i;
}
if (c0 > 1 || c1 > 1) {
std::cout << "***";
return;
}
for (auto& e : adj)
std::sort(e.rbegin(), e.rend(), [&](auto& x, auto& y) {
return words[x.first] < words[y.first];
});
std::vector<int> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
while (adj[u].size()) {
auto [e, v] = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
self(self, v);
ans.push_back(e);
}
};
dfs(dfs, st);
if (ans.size() != n) {
std::cout << "***";
return;
}
std::reverse(ans.begin(), ans.end());
for (int i = 0; i < n; ++ i) {
std::cout << words[ans[i]] << ".\n"[i == n - 1];
}
}
auto init_ = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}
2.8 瑞瑞的木棍
原题链接
洛谷 P1333 瑞瑞的木棍
思路分析
只需要判断是否存在欧拉通路/回路即可
即度数判断+并查集判断连通性
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #include <ranges>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
constexpr int inf32 = 1E9 + 7;
constexpr i64 inf64 = 1E18 + 7;
constexpr double eps = 1e-9;
std::unordered_map<std::string, std::string> p;
std::string find(const std::string& a) {
return p[a] == a ? a : p[a] = find(p[a]);
}
void merge(const std::string& a, const std::string& b) {
auto pa = find(a), pb = find(b);
if (pa == pb) return;
p[pb] = pa;
}
void solve() {
std::unordered_map<std::string, int> deg;
std::string u, v;
while (std::cin >> u >> v) {
++ deg[u], ++ deg[v];
if (!p.count(u))
p.insert({u, u});
if (!p.count(v))
p.insert({v, v});
merge(u, v);
}
int c = 0;
for (auto& [u, d] : deg) {
c += d & 1;
}
if (!deg.size()) {
std::cout << "Possible";
return;
}
if (c > 2) {
std::cout << "Impossible";
return;
}
auto root = p.begin() -> second;
for (auto& [s, fa] : p) {
if (fa != root) {
std::cout << "Impossible";
return;
}
}
std::cout << "Possible";
}
auto FIO = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}
2.9 无序字母对
原题链接
洛谷 P1341 无序字母对
思路分析
一个字母对就是一条边,跑板子。
注意字典序最小,我们要对邻接表排序,且选择最小起点。
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #include <ranges>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
constexpr int inf32 = 1E9 + 7;
constexpr i64 inf64 = 1E18 + 7;
constexpr double eps = 1e-9;
void solve() {
int n;
std::cin >> n;
std::unordered_map<char, std::vector<std::pair<char, int>>> adj;
std::unordered_map<char, int> deg;
for (int i = 0; i < n; ++ i) {
std::string s;
std::cin >> s;
++ deg[s[0]], ++ deg[s[1]];
adj[s[0]].push_back({ s[1], i + 1} );
adj[s[1]].push_back({ s[0], -i - 1} );
}
int c = 0;
char st = adj.begin() -> first;
bool f = false;
for (auto& [ch, d] : deg) {
c += d & 1;
if (d & 1) {
if (!f)
st = ch;
else
st = std::min(st, ch);
f = true;
}
else if(!f)
st = std::min(st, ch);
}
if (c > 2) {
std::cout << "No Solution";
return;
}
for (auto& [u, e] : adj)
std::sort(e.rbegin(), e.rend());
std::string res;
std::vector<bool> used(n + 1);
auto dfs = [&](auto&& self, char u) -> void {
while (adj[u].size()) {
auto [v, id] = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
if (used[abs(id)]) continue;
used[abs(id)] = true;
self(self, v);
}
res += u;
};
dfs(dfs, st);
std::reverse(res.begin(), res.end());
std::cout << res;
}
auto FIO = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}
2.10 Watchcow S
原题链接
[洛谷 P6066 USACO05JAN]Watchcow S
思路分析
和无向图欧拉回路不同的是,该题要求所得的回路要经过每条边正向反向各一次
这就更简单了,我们把无向图欧拉回路板子中的used[]数组删掉就行了
这样求出来的欧拉回路会把正向边反向边都走一遍
注意起点是1
AC代码
#include <bits/stdc++.h>
// #include <ranges>
// #define DEBUG
using i64 = long long;
using u32 = unsigned;
using u64 = unsigned long long;
constexpr int inf32 = 1E9 + 7;
constexpr i64 inf64 = 1E18 + 7;
constexpr double eps = 1e-9;
void solve() {
int n, m;
std::cin >> n >> m;
std::vector<std::vector<int>> adj(n);
for (int i = 0, a, b; i < m; ++ i) {
std::cin >> a >> b;
-- a, -- b;
adj[a].push_back(b);
adj[b].push_back(a);
}
std::vector<int> ans;
auto dfs = [&](auto&& self, int u) -> void {
while (adj[u].size()) {
int v = adj[u].back();
adj[u].pop_back();
self(self, v);
}
ans.push_back(u);
};
dfs(dfs, 0);
for (int x : ans) std::cout << x + 1 << '\n';
}
auto FIO = []{
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
std::cout.tie(nullptr);
return 0;
} ();
int main() {
#ifdef DEBUG
freopen("in.txt", "r", stdin);
freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
int t = 1;
// std::cin >> t;
while (t --)
solve();
return 0;
}