Kierros 7: Verkkoalgoritmeja (osa I)

Transkriptio

1 Kirros 7: Vrkkoloritmj (os I) Tommi Junttil Alto Univrsity Shool o Sin Dprtmnt o Computr Sin CS-A40 Dt Struturs n Alorithms Autumn 207 Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn 207 / 55

2 Sisältö: Vrkot Vrkkojn sitystpoj Lvyshku Syvyyshku Topoloinn järjstäminn Vhvsti yhtnäist komponntit Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

3 Mtrili kirjss Introution to Alorithms, 3r. (onlin vi Alto li): Kpplt Linkkjä: MIT OCW vio on rth-irst srh MIT OCW vio on pth-irst srh n topoloil sort Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

4 Erilisi vrkkoj j vrkostoj jok puolll: titokonn suoritin on vrkko loiikkporttj intrnt sosilist vrkostot krtt riippuvuusvrkot (kurssin sititovtimukst jn) jn j jn Mtmttist vrkot: tärkä strktio näistä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

5 Os intrntist vuonn 2005: (kuv: Mtt Britt, Crtiv Commons-lisnssi, l h) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

6 Euroopn E-titä: (kuv: puli omin, läh) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

7 Mtmttisi prusmäärittlyjä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

8 Suuntmttomt vrkot Krtust puuloritmin kirrokslt Suuntmton vrkko on pri (V,E), missä V on (ylnsä äärllinn) joukko solmuj (nl. vrtx, no) j E on joukko kri solmujn välillä li joukko 2-osjoukkoj muoto {u, v} sitn, ttä u,v V j u v Esimrkki Trkstlln vrkko (V, E), missä solmut ovt V = {,,,,,,,h} j krijoukko on E = {{,},{,},{,},{,}, {,},{,},{,},{,},{,}}. Vrkko on kuvttu oikll, solmut ympyröinä j krt viivoin solmujn välillä silmukt li krt solmun j sn itsnsä välillä ivät siis ol nyt sllittuj suuntmttomiss vrkoiss Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

9 polku solmust v 0 solmuun v k on skvnssi (v 0,v,...,v k ) solmuj sitn, ttä {v i,v i+ } E jokisll i = 0,,...k ; polun pituus on k Solmu v on svutttviss solmust u jos on olmss polku solmust u solmuun v. Huom, ttä jokinn solmu u on svutttviss itsstään kosk (u) on 0 skln pituinn polku Polku on yksinkrtinn jos kikki solmut siinä ovt rillisiä Vrkko on yhtnäinn jos jokinn solmu siinä on svutttviss jokisst muust solmust Esimrkki Oikll olv vrkko sisältää (i-yksinkrtisn) polun (,,,,, ) solmust solmuun sisältää yksinkrtisn 2 skln polun (,, ) solmust solmuun on yhtnäinn mutt krn {, } poistminn tkisi siitä i-yhtnäisn Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

10 Sykli (nl. yl) on polku (v 0,v,...,v k ) missä k 3 j v 0 = v k Sykli (v 0,v,...,v k ) on yksinkrtinn jos v,v 2,...,v k ovt rillisiä Vrkko on syklitön (nl. yli) jos siinä i ol yhtään yksinkrtist sykliä Esimrkki Vsmmnpuolinn vrkko i ol syklitön kosk s sisältää yksinkrtisn syklin (,,,) Oiknpuolinn vrkko on syklitön Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

11 Suunntut vrkot Suunntuiss vrkoiss krill on suunt Suunnttu vrkko (nl. irt rph, irph) on pri (V, E), missä V on (ylnsä äärllinn) joukko solmuj j E V V on joukko kri solmujn välillä: pri (u,v) E trkoitt krt solmust u solmuun v Esimrkki Trkstlln vrkko (V, E), missä solmut ovt V = {,,,,,,,h} j krijoukko on E = {(,),(,),(,), (,),(,),(,),(,),(,),(,), (,),(,)} S on kuvttu oikll; krin suunt on nyt kuvttu nuolll Huom silmukk solmust itsnsä j kksi (ri suuntiin mnvää) krt solmujn j välillä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn 207 / 55

12 Solmun lähtöst (nl. out-r) on solmust lähtvin krtn lukumäärä j mlist (nl. in-r) siihn spuvin krtn määrä k-krn mittinn polku solmust u solmuun u on k + solmun skvnssi (v 0,v,...,v k ) sitn, ttä v 0 = u, v k = u j (v i,v i+ ) E kikill i = 0,,...,k Polku on yksinkrtinn jos sn kikki solmut ovt rillisiä Polku (v 0,v,...,v k ) on sykli jos k j v 0 = v k Esimrkki Oiknpuolisss vrkoss solmun mlist on 2 j lähtöst (), (,,) j (,,) ovt yksinkrtisi polkuj sykljä ovt (,), (,,,), (,,,) j (,,) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

13 Suunntut syklittömät vrkot Suunntut syklittömät vrkot (nl. irt yli rph, DAG) ovt suunnttujn vrkkojn liluokk, joit siintyy usss sovlluskohtss (ks. sim. tämä wikipi-sivu) Esimrkki Monss sovlluksss nntn sioill ti tphtumill kskinäinn prrnssi ti järjstys wth pnts trousrs lt unrshirt ti shirt soks ht jkt shos Tälläisiss tpuksiss syklit ovt pätoivottuj kosk tällöin sim. tphtumi i voisi thä ollnkn (jonkun pitää tphtu nnn toist j toisinpäin) Yksinkrtisn simrkkinä yllä on riippuvuusvrkko vtkpplin välill pukutumisprosssiss Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

14 Vrkkojn sitysmuotoj Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

15 Jott vrkkoj voitisiin tutki loritmill, n täytyy sittää jossin titorkntss Suuntmttomss vrkoss on korkintn n(n ) 2 krt j suunntuss korkintn n 2 Vrkko on hrv jos sn krtn määrä on pini suhtss kikkin mhollistn krtn määrään; jos näin i ol, vrkko on tihä Mitään trkk rj hrvuull j tihyll i ol Kksi ylisintä vrkkojn sitysmuoto ovt npuruusmtriisit, lähinnä tihill vrkoill, skä npuruuslistt Kummsskin olttn solmujoukon olvn {0,,..., n }, jolloin niin vull voin inksoi tulukoit jn Jos solmujn nimt/intittit ovt monimutkismpi rkntit kutn vikkp mrkkijonoj, voin käyttää ssositiivist kuvust näiltä pinill kokonisluvuill, jott its vrkkoloritmit voivt toimi kokonisluvuill Survt simrkit käyttävät kuitnkin symolisi nimiä kutn luttvuun prntmisksi Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

16 Npuruusmtriisit Suunntun vrkon G = ({0,,..., n }, E) npuruusmtriisi on inäärinn n n-mtriisi A = ( u,v ), missä lkio u,v on jos (u,v) E j 0 muutoin Mtriisi on hlppo sittää muistiss rivi riviltä ittivktorin, jonk pituus on n 2 (ti vstvsti n2 -lkioisn tulukkon 32-ittisiä kokonislukuj); lkion 32 u,v rvo löytyy vktorin inksistä un + v Esimrkki: Suunnttu vrkko j sn npuruusmtriisisitys Bittivktorin mtriisi on Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

17 Suuntmttomn vrkon G = ({0,,..., n }, E) npuruusmtriisi voin nähä llä sittyn mtriisin ionlin yläpuolisn osn Kun 0 u < v < n, lkio u,v on jos {u,v} E j 0 muutoin Jos mtriisin yläkolmio sittään rivi riviltä ittivktoriss, lkio u,v löytyy inksistä un u(u+) 2 + (v u ) Esimrkki: Suuntmton vrkko j sn npuruusmtriisisitys Bittivktorin mtriisi on j krt {, } vstv itti löytyy inksistä 2 7 2(2+) + (6 2 ) = = 4 kun nimt kuvutuvt 2 ) luvuill survsti: Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

18 Anlyysiä: Hyvä sitysmuoto tihill (j pinhköill) vrkoill Krn lisääminn j poistminn vkioikist Uun solmun lisääminn työlästä Solmumääriltään suurmpin vrkkojn sittäminn vi pljon muisti: suunntun vrkon, joss on miljoon solmu, npuruusmtriisin sitys ittivktorin vi yli 00 itvu muisti Solmun npurin läpikäynti i ol optimlist jos solmun stluku on pini vrrttun solmujn lukumäärään n kosk pitää trkstll jokist ko. rivin sityksn O(n) tvu Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

19 Npuruuslistt Tässä sitysmuooss jokisn solmuun on liittty list sn npurist Luonnollissti myös (ynmisi) tulukoit voin käyttää listojn sijn Esimrkki: Suunnttu vrkko j sn npuruuslistsitys Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

20 Esimrkki: Suunntun vrkon npuruuslistsitys tiiviimmässä muooss Solmut ovt nyt {0,,...,6} Solmun u npurit löytyvät nyt ostulukost s[strt[u],strt[u+]-] ti s[strt[u],s.lnth-] viimisimmän solmun u = 6 tpuksss strt s Yllä olvss sitysmuooss näissä khss tulukoss on yhtnsä V + E kokonislukulkiot Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

21 Anlyysiä: Tiivis sitysmuoto hrvoill vrkoill: muistinkäyttö on O( V + E ) ikä O( V 2 ) Uun solmun lisääminn on kuolttusti vkioikinn oprtio jos käyttään ynmisi tulukoit Krin lisääminn j poistminn phimmss tpuksss linriikist suhtss ko. solmun stlukuun kun käyttään nsimmäisn simrkin listsitystä Solmun npurin läpikäynti thokst Ylisimmin käyttty sitystp monss sovlluskohtss kosk vrkot ovt usin solmumäärältään suuri mutt mlko hrvoj Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

22 Solmuttriuuttin sitys Monss vrkkoloritmiss on trpn liittää solmuihin ynmissti muuttuv t li ttriuuttj Tämä voin thä monll tp mutt jos/kun solmujoukko on {0,,...,n }, niin hlpoin tp on yksinkrtissti vrt n-lkioinn tulukko, jonk u:s lkio sisältää solmun u ttriuutin/ttriuutit Jtkon joik-nlyysissä olttn, ttä solmuttriuuttin lukminn j sttminn voin thä vkiojss Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

23 Lvyshku Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

24 Lvyshku Myös nimllä lvyssuuntinn läpikäynti (nl. rth-irst srh, BFS) Thoks vrkonläpikäyntiloritmi, jok löytää nntull lähtösolmull s kikki solmut, jotk voin svutt lkn solmust s, skä (rään) lyhimmän polun solmust s kuhunkin näistä In on loitt lähtösolmust s j käyä läpi kikki siitä lähtvät krt. Npurist n, joiss i ol vilä viriltu, littn FIFO-jonokurin omvn jonon loppuun. Solmuj ottn jonost yksi krrlln j näin npurit käsitllään smll tvll. Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

25 Aloritmin suorituksn ikn jokinn solmu on värittty vlkoisksi jos sitä i ol vilä svutttu, hrmksi, jos s on svutttu mutt siitä lähtviä kri i ol vilä käyty läpi mustksi, jos s on jo svutttu j kikki siitä lähtvät krt on myös käsitlty Lisäksi jokisn solmuun t liittään ttriuuttin täisyys li lyhimmän polun pituus solmust s solmuun t j ltäjäsolmu, jok on yhllä lyhimmällä polull solmust s solmuun t s solmu, jok on nnn solmu t Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

26 Psuokooin Brth-irst-srh(G, s): or h vrtx v V \ {s}: // Initiliz olors, istns n prssors v.olor WHITE v.ist v.pr NIL Q /0 // Q is FIFO-quu s.olor GRAY // Initiliz th sour vrtx s to ry s.ist 0 s.pr NIL nquu(q, s) whil Q is not mpty: u quu(q) // Tk th rlist ry vrtx rom th quu or h v with {u,v} E: // Trvrs h rom it i v.olor = WHITE: // Th nihour v hs not yt n visit? v.olor GRAY // Color it ry v.ist u.ist + // Stor th istn v.pr u // An th pth rom th sour nquu(q, v) // Put it t th n o th quu u.olor := BLACK // All s rom u trvrs Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

27 Esimrkki Lvyshku suuntmttomss vrkoss, joss on kksi yhtnäistä komponntti. Lähtösolmu on Jokisss vrkoss ll on sittty solmujn värit, täisyys solmust j ltäjäsolmu. Vrkot kuvvt tilntit whil-silmukn suorituskrtojn luss skä loritmin lopuss (viiminn vrkko). Kunkin solmun krt on käyty läpi milivltisss järjstyksssä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

28 Suunntuill vrkoill vihtn vin rivi or h v with {u,v} E riviksi or h v with (u,v) E Esimrkki Lvyshku suunntull vrkoll Lähtvät krt käyään ts läpi milivltisss järjstyksssä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

29 Aloritmin suorituksn lopuss solmu on must jos s on svutttviss lähtösolmust vlkoinn jos sitä i voi svutt lähtösolmust Lisäksi jokisll mustll solmull täisyysttriuutti krtoo lyhimpin polkujn pituun lähtösolmust tähän solmuun j surmll ltäjäsolmuj tkspäin sn slvill yksi lyhin polku lähtösolmust ko. solmuun Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

30 Phimmn tpuksn joik-nlyysiä: Jokinn solmu littn jonoon krrn Jokinn kri käyään läpi kksi krt suuntmttomill vrkoill; krrn kummnkin krn pään muuttuss hrmst mustksi krrn suunntuill vrkoill kun krn lähtösolmu muuttuu hrmst mustksi Solmujn littminn jonoon j poistminn jonost on vkioikist loritmin joik on O( V + E ) Suuntmttomin vrkkojn yhtnäistn komponnttin löytäminn on hlppo j thokst lvyshun vull Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

31 Syvyyshku Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

32 Syvyyshku Myös nimllä syvyyssuuntinn läpikäynti (nl. pth-irst srh, DFS) Toinn systmttinn tp käyä vrkkoj läpi Löytää myös kikki lähtösolmust svutttvt solmut Ei kuitnkn tuot lyhimpiä polkuj ti täisyyksiä Mutt löytää vrkost rknntt, jot voin hyöyntää muiss loritmiss I (supp prusvrsio): Aloittn virilmn solmuiss lähtösolmust lkn Virilln rkursiivissti nykyisn viriltvn solmun vlkoisiss npuriss Kun solmuss virilu lk, värjätään s hrmksi Kun kikiss sn npuriss on viriltu, värjätään solmu mustksi Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

33 Psuokooin Dpth-irst-srh(G, s): or h vrtx v V : v.olor WHITE v.pr NIL visit(u): u.olor GRAY or h v with {u,v} E: i v.olor = WHITE: v.pr u visit(v) u.olor BLACK visit(s) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

34 Esimrkki Syvyyshku suuntmttomss vrkoss Kuvt ll näyttävät tilntn jokisn visit-kutsun luss (viriltu solmu u on piirrtty sinisllä) j tilntn loritmin lopuss (viiminn kuv) Solmun npurit on käyty läpi milivltisss järjstyksssä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

35 Suunntull vrkoll vihtn vin jälln rivi or h v with {u,v} E riviksi or h v with (u,v) E Esimrkki Syvyyshku suunntuss vrkoss Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

36 Phimmn tpuksn joik-nlyysiä: Jokisss solmuss virilln krrn (solmun tul oll vlkoinn, jott siinä viriltisiin j s muuttn hti virilun luss hrmksi) Kun solmuss virilln, jokinn siitä lähtvä kri käyään läpi loritmi toimii jss O( V + E ) Jälln surmll ltäjäsolmujn ttriuuttj tkspäin löytään polku lähtösolmust ko. solmuun. Polku i kuitnkn ol välttämättä lyhin mhollinn. Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

37 Ljnnttu vrsio Ljnntn prusvrsiot lisäämällä jokisn solmuun kksi uutt viriluiklim-ttriuutti: loitusiklim krtoo jnhtkn, jolloin solmuss virilu loitttiin (solmu värjättiin hrmksi), j loptusiklim krtoo jnhtkn, jolloin virilu loptttiin (solmu värjättiin mustksi) Aiklimt ovt ksvvi kokonislukuj lkn luvust Aiklimojn lisäksi ljnntn loritmi niin, ttä i ol yhtä lähtösolmu vn ottn (milivltissti ti jollin strtill) uusi lähtösolmuj niin kun kunns kikiss solmuiss on viriltu Ei löytä nää vin yhstä solmust svutttvi solmuj vn myös vrkon rknntt Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

38 Psuokooin Dpth-irst-srh(G = (V, E)): or h vrtx v V : v.olor WHITE v.pr NIL tim 0 visit(u): // Innr rursiv untion or trvrsin vrtis tim tim + u.strt = tim u.olor GRAY or h v with {u,v} E: // (u,v) E or irt rphs i v.olor = WHITE: v.pr u visit(v) u.olor BLACK tim tim + u.inish = tim or h vrtx u V : i u.olor = WHITE: visit(u) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

39 Esimrkki Trkstlln oikll näkyvää suunnttu vrkko Ossyvyyshut (visit-unktion kutsut pääloritmin viimisllä rivillä) loitttu solmuist kkosjärjstyksssä Solmujn krt käyty läpi milivltisss järjstyksssä Eltäjäsolmuist tulvt krt mrkitty sinisllä Suunnttu vrkko: 3/6 2/9 /0 /6 y z s t x w v u 4/5 7/8 2/3 4/5 Sm rilill piirrttynä: /0 /6 s t Solmun virinn pri / krtoo solmun loitus- j loptusiklimt j 3/6 y 2/9 z w 7/8 v 2/3 u 4/5 4/5 x Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

40 Eltäjäsolmuist tulvt krt muoostvt syvyyshkumtsän 2 Formlisti tämä on livrkko G pr = (V,E pr ), missä E pr = {(u.pr,u) u V j u.pr NIL} Syvyyhkumtsä voi koostu usst syvyyshkupuust 3, joist jokisn juuri on ossyvyyshun nsimmäisksi viriltu solmu Syvyyshkumtsä vrkoll i ol yksikäsittinn vn riippuu syvyyshun suoritusjärjstyksstä Trkstlln solmuun u liitttyjn iklimojn muoostm ikväliä [u.strt, u.inish] Khn ri solmun u j v ikvälill pät yksi survist: [u.strt,u.inish] j [v.strt,v.inish] ivät likk toisin [u.strt,u.inish] on kokonn välin [v.strt,v.inish] sisällä [v.strt,v.inish] on kokonn välin [u.strt,u.inish] sisällä 2 myös nimllä syvyyssuuntinn mtsä 3 myös nimllä syvyyssuuntispuu Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

41 Esimrkki Trkstlln oikll näkyvää suunnttu vrkko Syvyyshkumtsän krt on korostttu sinisllä Suunnttu vrkko: 3/6 2/9 y z /0 /6 s t Solmut z, y, x j w voin svutt solmust s syvyyshkumtsässä j niin ikvälit ovt solmun s ikvälin sisällä Solmujn t, v j u, jotk kuuluvt ri puuhun kuin s syvyyshkumtsässä, ikvälit ivät likk solmun s ikvälin knss x w v 4/5 7/8 2/3 Sm rilill piirrttynä: /0 /6 s t 2/9 z v 2/3 3/6 y w 7/8 u 4/5 u 4/5 4/5 x Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

42 Olttn, ttä olln thty syvyyshku suunntull vrkoll Voin luokitll krt hun tuloksn suhtn Puukrt (nl. tr s) ovt syvyyshkupuuhun kuuluvt krt Tkutuvt krt (nl. k s) ovt kri, jotk johtvt solmust johonkin sn syvyyshkupuun ltäjäsolmuun (tämä sisältää silmukkkrt) Etnvät krt (nl. orwr s) ovt kri, jotk johtvt solmust johonkin sn syvyyshkupuun jälkläissolmuun Poikittiskrt (nl. ross s) koostuvt lopuist krist Suuntmttomill vrkoill tkutuvt j tnvät krt käsittään ylnsä smn sin j poikittiskri i ol Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

43 Esimrkki Trkstlln oikll näkyvää suunnttu vrkko j sn syvyyshku Puukrt on korostttu sinisllä Suunnttu vrkko: 3/6 2/9 y z /0 /6 s t Tkutuvt krt ovt: (x,z) j (u,t) Etnvät krt ovt: (s,w) Poikittiskrt ovt: (u,v), (v,s), (v,w) j (w,x) x w v 4/5 7/8 2/3 Sm rilill piirrttynä: /0 /6 s t 2/9 z v 2/3 u 4/5 u 4/5 3/6 y w 7/8 4/5 x Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

44 Os krityypistä on hlppo tunnist syvyyshun ikn Jos visit(u) -kutsuss trkstlln krt (u,v) E, niin kri on puukri jos v on vlkoinn tkutuv kri jos v on hrm j tnvä ti poikittiskri jos v on must Suunnttu vrkko on syklitön jos j vin jos syvyyshkumtsä i sisällä tkutuvi kri suunntun vrkon syklittömyys voin tunnist jss O( V + E ) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

45 Topoloinn järjstäminn Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

46 Suunntun syklittömän vrkon (V, E) topoloinn järjstys on linrinn järjstys solmujoukoll V niin, ttä jokisll krll (u,v) E sn lähtösolmu u on järjstyksssä nnn tulosolmu v Slvästi tälläist järjstystä i voi muoost suunntuill vrkoill, joiss on sykljä, ikä niitä voi siis järjstää topoloissti Esimrkki Trkstlln jälln oikll olv suunnttu syklitöntä vrkko pnts trousrs ti unrshirt shirt ht Topoloisi järjstyksiä sill ovt mm. wth lt soks jkt shos pnts,unrshirt,trousrs,shirt,lt,ti,soks,shos,wth,jkt,ht 2 wth,pnts,soks,trousrs,shos,lt,unrshirt,ht,shirt,ti,jkt Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

47 Topoloinn järjstys voin lsk syvyyshku käyttämällä: suorittn syvyyshku vrkoll muutn normlisti mutt kun solmun läpikäynti on vlmis (s värittään mustksi), niin lisätään s tuloksn tllttvn linkittyn listn lkuun koko hun lopuss pluttn rknnttu list Aloritmin oikllisuun prusi on surv: kun solmu värittään mustksi syklittömässä vrkoss, niin kikki siitä svutttvt solmut on jo immin värittty mustiksi j tätn sn jälkn rknnttvss topoloisss järjstyksssä Syklittömissä vrkoiss solmust svutttvt solmut ivät voi oll hrmit kosk n olisivt tällöin syvyyshun rkursiopinoss (hkupolull) j tätn trkstltvn solmun ltäjiä: vrkoss olisi tällöin sykli Topoloinn järjstäminn voin siis thä jss O( V + E ) kosk yllä kuvttu loritmi on syvyyshun vrintti Muitkin loritmj on (sim. tämä wikipi-sivu) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

48 Esimrkki Trkstlln jälln oikll olv vrkko Solmujn virn on kirjttu rään syvyyshun iklimt [9,20] pnts unrshirt [,0] [,6] trousrs [5,6] ti shirt [2,7] ht [8,9] wth [2,3] lt soks [7,8] [2,22] jkt [3,4] shos [4,5] Tämän syvyyshun synnyttämä topoloinn järjstys on wth,pnts,soks,trousrs,shos,lt,unrshirt,ht,shirt,ti,jkt Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

49 Vhvsti yhtnäist komponntit Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

50 Vhvsti yhtnäistn komponnttin tsiminn voin myös thä syvyyshun vull Suunntun vrkon G = (V, E) vhvsti yhtnäinn komponntti (nl. stronly onnt omponnt, SCC) on mksimlinn osjoukko C V jonk kikill solmuill u,v C pät, ttä solmu v on svutttviss solmust u j solmu u on svutttviss solmust v Tätn jokinn vrkon sykli on jonkin vhvsti yhtnäisn komponntin sisällä Jokinn solmu, jok i kuulu yhtnkään sykliin, muoost omn yksikkökomponnttins Esimrkki Trkstlln oikll olv vrkko y z s t Sn vhvsti yhtnäist komponntit ovt {s}, {t,u}, {v} j {w,x,y,z} x w v u Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

51 Suunntun vrkon G komponnttivrkko G SCC = (V SCC,E SCC ) on suunnttu vrkko, jonk solmujoukko V SCC koostuu vrkon G vhvsti yhtnäisistä komponntist, j joss on kri (C,C ) V SCC komponnttisolmust C toisn komponnttisolmuun C, C C, jos (u,v) on kri vrkoss G joillkin solmuill u C j v C Komponnttivrkko on syklitön. Miksi? Esimrkki Trkstlln llisn simrkin vrkko y z s t Sn komponnttivrkko on kuvttu oikll ll x w v u {s} {w, x, y, z} {t, u} {v} Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

52 Komponnttin lskminn Suunntun vrkon G = (V, E) vhvsti yhtnäistn komponnttin lskmisn linrisss, li O( V + E ), jss on moni loritmj (sim. tämä wikipi-sivu) Survss sittään vrsio Kosrjun loritmist S käyttää syvyyshku khsti: Thään syvyyshku vrkoll, jott sn sill viriluiklimt 2 Thään vrkon G = (V,E) trnspoosi G T kääntämällä krtn suunnt: G T = (V,E T ), missä E T = {(u,v) (v,u) E} 3 Thään syvyyshku trnspoosivrkoll G T mutt loittn oshut solmuist kääntisssä järjstyksssä suhtss nsimmäisn syvyyshun loptusiklimoihin Vhvsti yhtnäist komponntit sn nyt jälkimmäisn syvyyshun syvyyshkumtsistä Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

53 Trkstlln oiknpuolist vrkko 3/6 2/9 y z /0 /6 s t Sn vhvsti yhtnäist komponntit ovt {s}, {t,u}, {v} j {w,x,y,z} Kuvss on sittty myös rään syvyyshun iklimt j syvyyshkumtsän krt Vrkon trnspoosi on kuvttu oikll x 4/5 y w 7/8 z v 2/3 s u 4/5 t Huom, ttä vhvsti yhtnäist komponntit ovt smoj x w v u... j ttä komponnttivrkko on jälln syklitön j lkupräisn vrkon komponnttivrkon trnspoosi Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

54 Oiknpuolistn vrkkojn nnottiot kuvvt nsimmäisn syvyyshun loptusiklimojn mukn kääntisssä järjstyksssä thtyä syvyyshku trnspoosivrkoll Solmust t lkv oshku löytää komponntin {t, u} Solmust v lkv oshku komponntin {v} Syvyyshku trnspoosivrkoll /2 9/6 7/8 /4 y z s t x w v u 3/4 0/5 5/6 2/3 Sm ri lill piirrttynä: /4 5/6 7/8 9/6 t v s z Solmust s lkv oshku komponntin {s} u 2/3 x 3/4 Solmust z lkv oshku komponntin {w,x,y,z} y /2 0/5 w Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55

55 Miksi tämä loritmi toimii oikin? I (toistus sittty kirjss): Ensimmäinn syvyyshku tuott loptusiklimoissn kääntisn topoloisn järjstyksn komponnttivrkon solmuill Vrkon trnspoosin komponnttivrkko on vrkon komponnttivrkon trnspoosi Toinn syvyyshku trnspoosill käy siis trnspoosin komponntit läpi inuktiivissti lkn komponntist, joist i ol kri toisiin trnspoosin komponnttivrkoss j 2 tämän jälkn käsitlln komponntin vin jos sn kikki surjkomponntit on jo käsitlty Vin komponnttin sisäist krt tulvt mukn syvyyshkumtsään (krt surjkomponnttihin ovt poikittiskri) Tommi Junttil (Alto Univrsity) Kirros 7 CS-A40 / Autumn / 55