【DFS(深度优先搜索)详解】看这一篇就够啦

【DFS详解】看这一篇就够啦

  • 🍃1. 算法思想
  • 🍃2. 三种枚举方式
    • 🍃2.1 指数型枚举
    • 🍃2.2 排列型枚举
    • 🍃2.3 组合型枚举
  • 🍃3. 剪枝优化
  • 🍃4. 图的搜索
  • 🍃5. 来几道题试试手
    • 🍃5.1 选数
    • 🍃5.2 火柴棒等式

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🍃1. 算法思想

DFS算法的基本思想是从图中的某个顶点v出发,访问此顶点,然后依次从v的未被访问的邻接点出发深度优先遍历图,直至图中所有和v有路径相通的顶点都被访问到。若此时图中尚有顶点未被访问,则另选图中一个未曾被访问的顶点作起始点,重复上述过程,整个进程反复进行直到所有顶点都被访问为止。

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从上图中可以直观的感受到这种思想
就是一条路走到黑的思想,走到无路可走再回退到上一层,再选择另一条路继续一直走,再回退,直到整个遍历完成,深度优先搜索一般是通过递归来实现的,“递”的过程就是往下搜的过程对应着深度,“归”的过程就是回溯,回退上一级

🍃2. 三种枚举方式

🍃2.1 指数型枚举

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指数型枚举是指一共有n个数,每一个数都有两种状态,也就是选或不选,时间复杂度也就是2^n,指数级的
例如3个数的枚举时,每一个数都有选和不选两种状态,可以根据这个画出递归搜索树
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接着用代码实现一下

#include <iostream>
using namespace std;
int n;
int vis[20];
void dfs(int x){//表示已经n个数都被判断过了,一种方案已经搜索完成if(x > n){for(int i = 1;i <= n;i++){if(vis[i] == 1)cout<<i<<" ";}cout<<'\n';return;}vis[x] = 2;//表示不选dfs(x+1);//继续搜下一个vis[x] = 0;//回溯vis[x] = 1;//表示选dfs(x+1);//继续搜下一个vis[x] = 0;//回溯}
int main(){cin>>n;dfs(1);return 0;
}

🍃2.2 排列型枚举

排列型枚举是一种生成给定集合所有可能排列的方法,其实在中学阶段我们就学过排列组合的问题,排列是区分顺序的,例如,同样是1 2 3三个数字,1,2, 3和 1,3,2是两种方案。
来看下面的一个例题:
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很简单,就是生成n个数字的全排列方案,在用代码实现的过程中,需要另外再开一个vis数组,表示状态,以此来区分是否被选过

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int vis[15];
int a[15];
int n;
void dfs(int x){//表示n个数字都已经选过了if(x > n){for(int i = 1;i <= n;i++){cout<<setw(5)<<a[i];//题目中要求5个场宽}cout<<'\n';return;}for(int i = 1;i <= n;i++){if(!vis[i]){vis[i] = 1;//选过标记为1a[x] = i;//表示该数字被选上了dfs(x+1);//继续选下一个数字vis[i] = 0;//回溯重置该数字的状态a[x] = 0;//,也可以不写,因为数据可以直接覆盖}}
}int main(){cin>>n;dfs(1);return 0;
}

也就是依次枚举n个数,当这n个数选出一种方案之后,就回溯,再判断其它分支

🍃2.3 组合型枚举

组合是从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有取法,组合不考虑元素的顺序。也就是 1 2 3 和 1 3 2是同一种方案
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这次的dfs中采用了两个参数,一个表示枚举了几个数,一个表示从哪个数开始往后选,因为这次是组合型枚举,例如,在选了1 3 2之前,1 2 3肯定也已经选过了,所以不会有1 3 2这种情况出现,从哪个数开始往后选,都是选的比这个数字典序大的数,不存在字典数大的数排在字典数小的之前的情况,所以要记录从哪个数开始往后选

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a[25];
int n,r;
void dfs(int x,int start){//已经选够的情况if(x > r){for(int i = 1;i<=r;i++){cout<<setw(3)<<a[i];}cout<<'\n';return;}for(int i = start;i<=n;i++){a[x] = i;dfs(x+1,i+1);//选下一个数字,并且下一个数字的字典序要比本次大,也就是从i+1开始往后选a[x] = 0;}
}
int main(){cin>>n>>r;dfs(1,1);return 0;
}

🍃3. 剪枝优化

在深度优先搜索(DFS)中,剪枝是一种常用的优化技术,用于减少不必要的搜索空间,从而提高搜索效率。剪枝的核心思想是在搜索过程中,尽早地识别和排除那些不可能产生解的路径或状态,从而避免在这些无效路径上浪费时间和资源。
dfs(深度优先搜索)其实是一种特别暴力的算法,也就是我们常说的暴力搜索,时间复杂度一般都是指数级或阶乘级的这样,这时,剪枝就显得尤为重要,不然特别容易超时
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来看一道洛谷的典型题:P1088:火星人
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这题是不是就是我们之前讲到的全排列类型的题,意思就是给出一个排列方式,按照字典序求这种方式以后的第几种排列

这次用Java实现一下:

public class Main {static int n = 0, r = 0;//n个数字,求第r中排列方式static int cnt = 0;//记录次数static int[] arr = new int[10010];static int[] mars = new int[10010];//火星人的排列static boolean[] vis = new boolean[10010];//记录状态static boolean falg = false;//记录状态,后面用于剪枝public static void main(String[] args) {Scanner sc = new Scanner(System.in);n = sc.nextInt();r = sc.nextInt();for (int i = 1; i <= n; i++) {mars[i] = sc.nextInt();}dfs(1);}public static void dfs(int x) {//剪枝,后面的不用再去排列了if (falg) {return;}if (x > n) {cnt++;if (cnt == r + 1) {//表示已经找到了答案falg = true;for (int i = 1; i <= n; i++) {System.out.print(arr[i] + " ");}System.out.println();}return;}//和之前写的排列模板一样for (int i = 1; i <= n; i++) {//表示从火星人给出的排列方案开始往后搜索if (cnt == 0) {i = mars[x];}if (!vis[i]) {arr[x] = i;vis[i] = true;dfs(x + 1);vis[i] = false;}}}
}

这道题我们就很好的利用了剪枝进行优化,不然按照原来算法的时间复杂度肯定是会超时的,当我们找到目标方案之后,后面的方案就没必要进行搜索了,此时直接退出函数,也就是剪枝
每一题的剪枝方案需要具体题目具体分析。

🍃4. 图的搜索

步骤:
1.选择起始点:从图的某个顶点v开始。
2.标记当前顶点:将当前顶点v标记为已访问,以避免重复访问。
3.遍历邻接点:对于v的每个未访问的邻接点w,递归地执行DFS,从w开始。
4.回溯:当没有更多的邻接点可以遍历时,返回到上一步的顶点。

下面看一道例题:

洛谷1683:入门

图的存储:通过二维数组进行存储
怎么往四个方向进行搜索:定义两个方向数组

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#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 25;
char arr[N][N];
bool vis[N][N];
int res;
int x, y;
//方向数组,四个方向进行搜索
int dx[4] = { -1,0,1,0 };
int dy[4] = { 0,1,0,-1 };
void dfs(int m,int n){for(int i = 0;i < 4;i++){int a = m + dx[i];int b = n + dy[i];if(vis[a][b]) continue;if(arr[a][b] != '.')continue;//只能走"."if(a < 0 || a >= x) continue;//不能越界if(b < 0 || b >= y) continue;vis[a][b] = true;res++;dfs(a,b);//本题不需要回溯,直接往下搜}
}int main(){ios::sync_with_stdio(0), cin.tie(0), cout.tie(0);cin >> y >> x;for (int i = 0; i < x; i++) {for (int j = 0; j < y; j++) {cin >> arr[i][j];}}for (int i = 0; i < x; i++) {for (int j = 0; j < y; j++) {//从起点开始搜索if (arr[i][j] == '@') {vis[i][j] = true;dfs(i, j);}}}cout << res + 1;//加上起点return 0;
}

🍃5. 来几道题试试手

🍃5.1 选数

做题点这里👉 : 洛谷P1036

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这道题其实还是之前讲过的组合型枚举,例如样例中是4个数里边选3个进行组合,只不过最后多了一个求和和素数判断

还用Java来实现一下:

public class Main {static int n = 0,k = 0;static int cnt = 0;static int[] arr = new int[50];static int[] res = new int[20];public static void main(String[] args) {Scanner sc = new Scanner(System.in);n = sc.nextInt();k = sc.nextInt();for(int i = 1;i <= n;i++){arr[i] = sc.nextInt();}dfs(1,1);System.out.println(cnt);}public static boolean isPrime(int num){for(int i=2;i*i<=num;i++){if(num%i==0)return false;}return true;}public static void dfs(int x, int start){if(x == k + 1){int sum = 0;//求和for(int i =1;i <= k;i++){sum += res[i];}//判断素数,方案数+1if(isPrime(sum)){cnt++;}return;}for(int i = start;i <= n;i ++){res[x] = arr[i];dfs(x + 1,i + 1);res[x] = 0;}}
}

🍃5.2 火柴棒等式

做题点这里👉 : 洛谷1149
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我们来实现一下:

import java.util.Scanner;
public class Main {static int[] match = new int[1000];static int[] arr = new int[1000];static int n = 0, cnt = 0;public static void main(String[] args) {Scanner sc = new Scanner(System.in);n = sc.nextInt();n -= 4;//等号和加号用的火柴棒match[0] = 6;match[1] = 2;match[2] = 5;match[3] = 5;match[4] = 4;match[5] = 5;match[6] = 6;match[7] = 3;match[8] = 7;match[9] = 6;//计算10以后的数字用到的火柴帮数量for (int i = 10; i < 1000; i++) {match[i] = match[i % 10] + match[i / 10];}dfs(1, 0);System.out.println(cnt);}public static void dfs(int x, int sum) {//超过给出的数量,剪枝if (sum > n) {return;}if (x > 3) {if (sum == n && arr[1] + arr[2] == arr[3]) {cnt++;}return;}for (int i = 0; i < 1000; i++) {arr[x] = i;dfs(x + 1, sum + match[i]);arr[x] = 0;}}
}

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