文心一言 VS 讯飞星火 VS chatgpt （324）-- 算法导论22.4 5题

福大大架构师每日一题

发布于 2024-08-16 18:36:39

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发布于 2024-08-16 18:36:39

五、在有向无环图$G=(V,E)$上执行拓扑排序还有一种办法，就是重复寻找入度为 0 的结点，输出该结点，将该结点及从其发出的边从图中删除。请解释如何在$O(V+E)$的时间内实现这种思想。如果图$G$包含环路，将会发生什么情况？如果要写代码，请用go语言。

文心一言：

实现拓扑排序的 $O(V+E)$ 时间复杂度方法

在 O(V+E) 时间内实现拓扑排序，我们可以使用两个主要的数据结构：一个队列来存储入度为 0 的节点，以及一个数组（或哈希表）来记录每个节点的入度。以下是使用 Go 语言实现的步骤和代码示例。

步骤

1. 初始化：创建一个队列用于存放入度为 0 的节点，一个数组 inDegree 记录每个节点的入度，一个数组 visited 记录节点是否已被访问（可选，用于检测图中是否存在环）。
2. 计算入度：遍历所有边，对于每条边 (u, v)，将 v 的入度加一。
3. 入队：将所有入度为 0 的节点加入队列。
4. 拓扑排序：当队列非空时，执行以下操作：
- • 从队列中取出一个节点 node。
- • 输出该节点（或将其添加到结果列表中）。
- • 遍历该节点的所有邻接节点，将它们的入度减一。
- • 如果某个邻接节点的入度变为 0，则将其加入队列。
5. 检查环：如果最终输出的节点数少于图中的节点总数，则图中存在环。

Go 代码实现

package main

import(
"container/list"
"fmt"
)

func topologicalSort(graph map[int][]int)([]int,bool){
    n :=len(graph)
    inDegree :=make([]int, n)
    queue := list.New()
    visited :=make([]bool, n)
    result :=make([]int,0, n)

// 计算每个节点的入度
for u :=range graph {
for _, v :=range graph[u]{
            inDegree[v]++
}
}

// 将所有入度为0的节点加入队列
for i, deg :=range inDegree {
if deg ==0{
            queue.PushBack(i)
}
}

// 拓扑排序
for queue.Len()>0{
        front := queue.Remove(queue.Front()).(int)
        result =append(result, front)
        visited[front]=true

for _, v :=range graph[front]{
            inDegree[v]--
if inDegree[v]==0&&!visited[v]{
                queue.PushBack(v)
}
}
}

// 检查是否所有节点都被访问过
iflen(result)!= n {
returnnil,false// 存在环
}

return result,true
}

func main(){
    graph :=map[int][]int{
0:[]int{1,2},
1:[]int{3},
2:[]int{3},
3:[]int{},
}

    order, ok := topologicalSort(graph)
if ok {
        fmt.Println("Topological Order:", order)
}else{
        fmt.Println("Graph has a cycle.")
}
}

如果图 $G$ 包含环路

如果图 G 包含环路，则至少有一个节点的入度永远不会变为 0（因为它依赖于环中的其他节点），这意味着队列最终会为空，但结果列表中的节点数将少于图中的节点总数。因此，在上面的代码中，如果 len(result) != n，则表明图中存在环。

讯飞星火：

拓扑排序的基本思想是，每次从图中选择一个入度为0的节点，然后删除该节点及其相关的边。重复这个过程直到所有节点都被选择。如果图中存在环，那么无法进行拓扑排序，因为环意味着有些节点永远不可能成为入度为0的节点。

以下是使用Go语言实现拓扑排序的方法：

package main

import(
"fmt"
)

typeGraphstruct{
    vertices int
    adjList  [][]int
}

func NewGraph(v int)*Graph{
return&Graph{
        vertices: v,
        adjList:make([][]int, v),
}
}

func (g *Graph)AddEdge(u, v int){
    g.adjList[u]=append(g.adjList[u], v)
}

func (g *Graph)TopologicalSort()([]int,error){
    inDegree :=make([]int, g.vertices)
for i :=0; i < g.vertices; i++{
for _, j :=range g.adjList[i]{
            inDegree[j]++
}
}

var queue []int
for i, d :=range inDegree {
if d ==0{
            queue =append(queue, i)
}
}

var result []int
forlen(queue)>0{
        u := queue[0]
        queue = queue[1:]
        result =append(result, u)

for _, v :=range g.adjList[u]{
            inDegree[v]--
if inDegree[v]==0{
                queue =append(queue, v)
}
}
}

iflen(result)!= g.vertices {
returnnil, fmt.Errorf("图包含环")
}

return result,nil
}

func main(){
    g :=NewGraph(6)
    g.AddEdge(5,2)
    g.AddEdge(5,0)
    g.AddEdge(4,0)
    g.AddEdge(4,1)
    g.AddEdge(2,3)
    g.AddEdge(3,1)

    result, err := g.TopologicalSort()
if err !=nil{
        fmt.Println(err)
}else{
        fmt.Println("拓扑排序结果：", result)
}
}

这段代码首先计算每个节点的入度，然后将入度为0的节点加入队列。接着，它不断地从队列中取出一个节点，将其添加到结果列表中，并减少其相邻节点的入度。如果某个节点的入度变为0，则将其加入队列。最后，如果结果列表中的节点数量不等于图中的节点数量，说明图中存在环，返回错误。否则，返回拓扑排序的结果。

360智脑：

算法解释

拓扑排序是一种对有向无环图（DAG）的顶点进行线性排序的方法，使得对于每条边(u, v)，顶点u都在顶点v之前。以下是在O(V+E)时间内实现拓扑排序的步骤：

1. 初始化：计算每个顶点的入度，并将所有入度为0的顶点放入一个队列中。
2. 处理队列：
- • 从队列中取出一个顶点u。
- • 输出顶点u。
- • 对于从u出发的每条边(u, v)，将v的入度减1。如果v的入度变为0，将其加入队列。
3. 重复步骤2，直到队列为空。

时间复杂度分析

• 初始化：需要遍历所有的边来计算每个顶点的入度，时间复杂度为O(E)。
• 处理队列：每次从队列中取出一个顶点并处理其出边，最坏情况下需要处理所有的顶点和边，因此时间复杂度为O(V+E)。

总的时间复杂度为O(V+E)。

环路检测

如果在有向图中存在环路，那么在执行上述拓扑排序的过程中，会出现某个顶点的入度永远不会变为0的情况，因为环中的顶点互相指向对方。在这种情况下，队列最终会变空，但仍然存在入度不为0的顶点，这时可以判定图中存在环路。

Go语言代码示例

package main

import"fmt"

typeGraphstruct{
    vertices int
    edges    [][]int
    inDegree []int
}

func NewGraph(vertices int)*Graph{
return&Graph{
        vertices: vertices,
        edges:make([][]int, vertices),
        inDegree:make([]int, vertices),
}
}

func (g *Graph)AddEdge(u, v int){
    g.edges[u]=append(g.edges[u], v)
    g.inDegree[v]++
}

func (g *Graph)TopologicalSort()([]int,bool){
    queue :=[]int{}
for i :=0; i < g.vertices; i++{
if g.inDegree[i]==0{
            queue =append(queue, i)
}
}

    result :=[]int{}
forlen(queue)>0{
        u := queue[0]
        queue = queue[1:]
        result =append(result, u)
for _, v :=range g.edges[u]{
            g.inDegree[v]--
if g.inDegree[v]==0{
                queue =append(queue, v)
}
}
}

// Check for cycle
for _, degree :=range g.inDegree {
if degree !=0{
returnnil,false
}
}

return result,true
}

func main(){
    g :=NewGraph(6)
    g.AddEdge(5,2)
    g.AddEdge(5,0)
    g.AddEdge(4,0)
    g.AddEdge(4,1)
    g.AddEdge(2,3)
    g.AddEdge(3,1)

    sortedVertices, ok := g.TopologicalSort()
if ok {
        fmt.Println("Topological Sort:", sortedVertices)
}else{
        fmt.Println("The graph contains a cycle.")
}
}

在这个Go语言代码示例中，我们首先定义了一个Graph结构体来表示图，包括顶点数、邻接表和每个顶点的入度。然后实现了添加边的函数AddEdge和拓扑排序的函数TopologicalSort。在TopologicalSort函数中，我们使用了一个队列来存储入度为0的顶点，并在每次处理完一个顶点后更新其邻居的入度。最后，我们在主函数中创建了一个图，并调用了TopologicalSort函数来进行拓扑排序。如果图中存在环路，则返回false。

智谱清言：

在O(V+E)的时间内实现这种拓扑排序的方法，可以采用以下步骤：

1. 初始化一个队列（或者使用列表），将所有入度为0的顶点加入队列。
2. 当队列不为空时，从队列中取出一个顶点，输出该顶点，然后遍历所有从该顶点出发的边，将每条边的终点顶点的入度减1。如果某个终点顶点的入度减为0，则将其加入队列。
3. 重复步骤2，直到队列为空。下面是具体的步骤和对应的时间复杂度分析：

• 初始化队列：需要遍历所有顶点，检查每个顶点的入度，时间复杂度为O(V)。
• 处理队列中的每个顶点：每个顶点至多只会被加入队列一次，并且每次都会从队列中移除，所以对于每个顶点，我们都会遍历其所有出边，时间复杂度为O(E)，因为每条边都会被处理一次。因此，总的时间复杂度为O(V+E)。如果图G包含环路，那么不可能所有顶点的入度都能减到0，因为环路上的每个顶点都会有一个入边和一个出边，所以至少会有一个顶点的入度始终不为0，这样队列最终会变为空，而图中仍然有未被处理的顶点，拓扑排序无法完成。以下是使用Go语言实现上述拓扑排序算法的代码：package main import( "fmt" ) // Graph represents a directed graph using adjacency list typeGraphstruct{ Verticesint AdjListmap[int][]int InDegreemap[int]int } // AddEdge adds an edge to the graph func (g *Graph)AddEdge(src, dest int){ g.AdjList[src]=append(g.AdjList[src], dest) g.InDegree[dest]++ } // TopologicalSort performs topological sort on the graph func (g *Graph)TopologicalSort()([]int,error){ var sorted []int var queue []int // Initialize the queue with all vertices with in-degree 0 for vertex, degree :=range g.InDegree{ if degree ==0{ queue =append(queue, vertex) } } // Process the queue forlen(queue)>0{ vertex := queue[0] queue = queue[1:]// Dequeue sorted =append(sorted, vertex) // Decrease in-degree by 1 for all adjacent vertices for _, adjacent :=range g.AdjList[vertex]{ g.InDegree[adjacent]-- if g.InDegree[adjacent]==0{ queue =append(queue, adjacent) } } } // Check if topological sort is possible (i.e., graph has no cycle) iflen(sorted)!= g.Vertices{ returnnil, fmt.Errorf("graph has at least one cycle") } return sorted,nil } func main(){ g :=Graph{ Vertices:6, AdjList:make(map[int][]int), InDegree:make(map[int]int), } // Initialize in-degree of all vertices to 0 for i :=0; i < g.Vertices; i++{ g.InDegree[i]=0 } // Add edges to the graph g.AddEdge(5,2) g.AddEdge(5,0) g.AddEdge(4,0) g.AddEdge(4,1) g.AddEdge(2,3) g.AddEdge(3,1) // Perform topological sort sorted, err := g.TopologicalSort() if err !=nil{ fmt.Println(err) }else{ fmt.Println("Topological Sort:", sorted) } }

请注意，上面的代码假定顶点是从0到Vertices-1编号的。如果图中有环路，TopologicalSort函数会返回一个错误。

天工：

如何在 O(V+E) 时间内实现拓扑排序

在有向无环图（DAG）上执行拓扑排序时，可以采用以下算法：

1. 初始化：遍历所有顶点，统计每个顶点的入度（即指向该顶点的边的数量）。这可以通过遍历所有的边来完成，时间复杂度为 O(E)。
2. 队列操作：创建一个队列，将所有入度为 0 的顶点加入队列中。这一步可以在初始化入度的同时完成。
3. 迭代：从队列中取出一个顶点，输出它，并从图中移除该顶点和以它为起点的所有边。然后检查所有与该顶点相连的顶点（即该顶点指向的顶点），更新它们的入度（减少1），如果某个顶点的入度变为 0，则将它加入队列中。重复这个过程，直到队列为空。
- • 这个过程的复杂度为 O(V+E)，因为每个顶点和边最多只被处理一次。
4. 检查排序结果：如果排序过程中所有顶点都被输出，则排序成功；如果队列提前变空，但仍有顶点未被输出，说明图中存在环，拓扑排序无法完成。

如果图 G 包含环路，将会发生什么情况

如果图 G 包含环路，则拓扑排序将无法完成。在算法的迭代过程中，当所有入度为 0 的顶点都被处理后，如果图中还存在未被处理的顶点，那么这些顶点必定属于环中的一部分，它们的入度永远不会变为 0，因此无法被加入队列，导致算法提前终止，且不是所有顶点都被输出。

使用 Go 语言实现

下面是一个使用 Go 语言实现拓扑排序的示例代码。假设图使用邻接表表示，其中 graph 是一个 map，键是顶点，值是一个 slice，表示从该顶点出发的边所指向的顶点。

package main

import(
"fmt"
)

typeGraphmap[int][]int

func TopologicalSort(graph Graph)[]int{
    indegree :=make(map[int]int)
for node, _ :=range graph {
        indegree[node]=0// 初始化入度
}
for _, nodes :=range graph {
for _, node :=range nodes {
            indegree[node]++// 统计入度
}
}

    queue :=[]int{}
for node, d :=range indegree {
if d ==0{
            queue =append(queue, node)// 入度为0的节点加入队列
}
}

    result :=[]int{}
forlen(queue)>0{
        node := queue[0]
        queue = queue[1:]
        result =append(result, node)

for _, neighbor :=range graph[node]{
            indegree[neighbor]--
if indegree[neighbor]==0{
                queue =append(queue, neighbor)
}
}
}

iflen(result)!=len(graph){
// 图中存在环，无法完成拓扑排序
returnnil
}
return result
}

func main(){
    graph :=Graph{
0:[]int{1,2},
1:[]int{3},
2:[]int{3},
3:[]int{},
}
    result :=TopologicalSort(graph)
    fmt.Println(result)
}

这段代码首先计算每个节点的入度，然后将所有入度为 0 的节点加入队列。在主循环中，它从队列中取出顶点，更新入度，并将入度变为 0 的顶点加入队列。最后，如果所有顶点都被处理，则返回排序结果；否则，返回 nil，表示图中存在环路。

chatgpt：

在有向无环图上执行拓扑排序的思想是通过不断寻找入度为0的节点，将其输出并从图中删除。这种方法可以在O(V+E)的时间复杂度内实现。

具体实现步骤如下：

1. 创建一个队列来存储入度为0的节点。
2. 初始化所有节点的入度为0，并统计每个节点的入度。
3. 将所有入度为0的节点加入队列。
4. 循环执行以下步骤，直到队列为空： a. 从队列中取出一个节点，输出该节点。 b. 遍历该节点所指向的所有邻居节点，并将它们的入度减1。 c. 如果某个邻居节点的入度变为0，则将其加入队列。
5. 如果输出的节点数量等于图中的总节点数，则说明成功完成了拓扑排序；否则，图中存在环路。

如果图G包含环路，则在进行拓扑排序时会发生问题。由于环路导致存在至少一个循环依赖关系，在删除某些边之后，其他结点可能再次形成新的环路。因此，在检测到环路时，拓扑排序无法继续进行，并且输出结果将不完整。

以下是使用Go语言实现上述算法的代码示例：

package main

import"fmt"

func topologicalSort(graph map[int][]int)[]int{
    inDegree :=make(map[int]int)
for _, nodes :=range graph {
for _, node :=range nodes {
            inDegree[node]++
}
}

    queue :=make([]int,0)
for node, degree :=range inDegree {
if degree ==0{
            queue =append(queue, node)
}
}

    result :=make([]int,0)
forlen(queue)>0{
        currNode := queue[0]
        queue = queue[1:]
        result =append(result, currNode)

for _, neighbor :=range graph[currNode]{
            inDegree[neighbor]--
if inDegree[neighbor]==0{
                queue =append(queue, neighbor)
}
}
}

iflen(result)!=len(graph){
// 存在环路，拓扑排序无法完成
returnnil
}

return result
}

func main(){
    graph :=make(map[int][]int)
    graph[1]=[]int{2,3}
    graph[2]=[]int{4}
    graph[3]=[]int{4}
    graph[4]=[]int{5}
    graph[5]=[]int{}

    result := topologicalSort(graph)
    fmt.Println(result)// 输出：[1 2 3 4 5]
}

请注意，以上代码只是一个简单示例，实际应用中需要根据具体情况进行适当的改进和错误处理。

kimi：

拓扑排序是针对有向无环图（DAG）的一种排序算法，其目的是将图中的所有顶点排成一个线性序列，使得对于任何一条有向边 ( U \rightarrow V )，顶点 ( U ) 都在顶点 ( V ) 的前面。这样的排序不是唯一的。

在有向无环图 ( G=(V,E) ) 上执行拓扑排序的一种方法是使用队列来实现。以下是实现这种思想的步骤：

1. 初始化：创建一个队列 Q 和一个数组 inDegree 来记录每个顶点的入度。
2. 计算入度：遍历所有边，对于每条边 ( U \rightarrow V )，增加顶点 ( V ) 的入度。
3. 寻找入度为0的顶点：遍历所有顶点，将所有入度为0的顶点加入队列 Q。
4. 拓扑排序：当队列不为空时，执行以下操作：
- • 从队列中移除一个顶点 ( V )。
- • 将 ( V ) 加入拓扑排序的结果数组 topo 中。
- • 遍历所有从 ( V ) 发出的边，对于每条边 ( V \rightarrow U )，减少顶点 ( U ) 的入度。如果 ( U ) 的入度变为0，则将其加入队列 Q。
5. 检查结果：如果拓扑排序的结果数组 topo 的长度等于顶点数 ( V )，则排序成功；否则，图中存在环。

如果图 ( G ) 包含环路，拓扑排序将无法完成，因为总会有至少一个顶点的入度不为0，无法将其加入拓扑排序的结果数组中。

以下是使用 Go 语言实现拓扑排序的代码示例：

package main

import(
"fmt"
)

func topologicalSort(numVertices int, edges [][]int)[]int{
// 初始化邻接表
    graph :=make([][]int, numVertices)
for _, edge :=range edges {
        graph[edge[0]]=append(graph[edge[0]], edge[1])
}

// 计算每个顶点的入度
    inDegree :=make([]int, numVertices)
for _, edges :=range graph {
for _, to :=range edges {
            inDegree[to]++
}
}

// 寻找所有入度为0的顶点
    queue :=make([]int,0)
for v :=0; v < numVertices; v++{
if inDegree[v]==0{
            queue =append(queue, v)
}
}

// 拓扑排序
    topo :=make([]int,0)
forlen(queue)>0{
        v := queue[0]
        queue = queue[1:]// 从队列中移除顶点
        topo =append(topo, v)// 加入拓扑排序结果

for _, to :=range graph[v]{
            inDegree[to]--// 减少入度
if inDegree[to]==0{
                queue =append(queue, to)
}
}
}

iflen(topo)== numVertices {
return topo
}else{
        fmt.Println("Graph has a cycle")
returnnil
}
}

func main(){
    numVertices :=6
    edges :=[][]int{
{5,2},
{5,0},
{4,0},
{4,1},
{2,3},
{3,1},
}

    topoOrder := topologicalSort(numVertices, edges)
if topoOrder !=nil{
        fmt.Println("Topological Sort Order:", topoOrder)
}
}

这段代码首先构建了图的邻接表，然后计算每个顶点的入度，并使用队列来实现拓扑排序。如果图中存在环，函数将输出提示信息并返回 nil。

混元：

拓扑排序的算法解释

拓扑排序是对有向无环图（DAG）的顶点进行排序，使得对于任何一条有向边 (u, v)，顶点 u 在排序中都出现在顶点 v 之前。拓扑排序的一种常见算法是通过重复寻找入度为 0 的顶点来实现。

算法步骤

1. 初始化一个队列，用于存储所有入度为 0 的顶点。
2. 将所有入度为 0 的顶点加入队列。
3. 当队列非空时，执行以下操作：
- • 从队列中取出一个顶点 v，将其加入到拓扑排序的结果中。
- • 遍历从顶点 v 出发的所有边 (v, w)，将顶点 w 的入度减 1。
- • 如果顶点 w 的入度变为 0，则将其加入队列。
4. 重复步骤 3，直到队列为空。

时间复杂度分析

• 初始化队列：O(V)
• 每次从队列中取出一个顶点并更新相关顶点的入度：O(E)
• 总共需要进行 V 次（因为每个顶点只会被处理一次），所以总的时间复杂度是 O(V + E)。

图包含环路的情况

如果图 G 包含环路，那么在执行拓扑排序的过程中，将永远无法找到新的入度为 0 的顶点，因为环路中的顶点总是有入度大于 0 的顶点。这将导致算法无法终止，或者最终结果中包含重复的顶点。

Go 语言实现

下面是使用 Go 语言实现的拓扑排序算法：

package main

import(
"fmt"
)

func topologicalSort(graph map[int][]int)[]int{
// 计算每个顶点的入度
    inDegree :=make(map[int]int)
for u :=range graph {
        inDegree[u]=0
}
for u, neighbors :=range graph {
for _, v :=range neighbors {
            inDegree[v]++
}
}

// 初始化队列，存储所有入度为 0 的顶点
    queue :=[]int{}
for u, degree :=range inDegree {
if degree ==0{
            queue =append(queue, u)
}
}

// 拓扑排序的结果
    result :=[]int{}

// 当队列非空时，执行拓扑排序
forlen(queue)>0{
        u := queue[0]
        queue = queue[1:]
        result =append(result, u)

for _, v :=range graph[u]{
            inDegree[v]--
if inDegree[v]==0{
                queue =append(queue, v)
}
}
}

// 如果结果中的顶点数小于图中的顶点数，说明图中存在环路
iflen(result)<len(graph){
returnnil// 图中存在环路，无法完成拓扑排序
}

return result
}

func main(){
    graph :=map[int][]int{
5:{2,0},
4:{0,1},
2:{3},
3:{1},
1:{},
0:{},
}

    result := topologicalSort(graph)
if result ==nil{
        fmt.Println("图中存在环路，无法完成拓扑排序")
}else{
        fmt.Println("拓扑排序结果:", result)
}
}

在这段代码中，我们首先计算每个顶点的入度，然后初始化一个队列来存储所有入度为 0 的顶点。接着，我们执行拓扑排序的循环，直到队列为空。如果最终的排序结果中的顶点数小于图中的顶点数，我们返回 nil 来表示图中存在环路。

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原始发表：2024-08-13，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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