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Cut

相关阅读:双连通分量

割点和桥更严谨的定义参见 图论相关概念

割点

对于一个无向图,如果把一个点删除后这个图的极大连通分量数增加了,那么这个点就是这个图的割点(又称割顶)。

如何实现?

如果我们尝试删除每个点,并且判断这个图的连通性,那么复杂度会特别的高。所以要介绍一个常用的算法:Tarjan。

首先,我们上一个图:

很容易的看出割点是 2,而且这个图仅有这一个割点。

首先,我们按照 DFS 序给他打上时间戳(访问的顺序)。

这些信息被我们保存在一个叫做 num 的数组中。

还需要另外一个数组 low,用它来存储不经过其父亲能到达的最小的时间戳。

例如 low[2] 的话是 1,low[5]low[6] 是 3。

然后我们开始 DFS,我们判断某个点是否是割点的根据是:对于某个顶点 $u$,如果存在至少一个顶点 $v$($u$ 的儿子),使得 $low_v \geq num_u$,即不能回到祖先,那么 $u$ 点为割点。

另外,如果搜到了自己(在环中),如果他有两个及以上的儿子,那么他一定是割点了,如果只有一个儿子,那么把它删掉,不会有任何的影响。比如下面这个图,此处形成了一个环,从树上来讲它有 2 个儿子:

我们在访问 1 的儿子时候,假设先 DFS 到了 2,然后标记用过,然后递归往下,来到了 4,4 又来到了 3,当递归回溯的时候,会发现 3 已经被访问过了,所以不是割点。

更新 low 的伪代码如下:

如果 v 是 u 的儿子 low[u] = min(low[u], low[v]);
否则
low[u] = min(low[u], num[v]);

例题

洛谷 P3388【模板】割点(割顶)

??? "例题代码" cpp --8<-- "docs/graph/code/cut/cut_1.cpp"

割边

和割点差不多,叫做桥。

对于一个无向图,如果删掉一条边后图中的连通分量数增加了,则称这条边为桥或者割边。严谨来说,就是:假设有连通图 $G={V,E}$,$e$ 是其中一条边(即 $e \in E$),如果 $G-e$ 是不连通的,则边 $e$ 是图 $G$ 的一条割边(桥)。

比如说,下图中,

割边示例图

红色的边就是割边。

实现

和割点差不多,只要改一处:$low_v>num_u$ 就可以了,而且不需要考虑根节点的问题。

割边是和是不是根节点没关系的,原来我们求割点的时候是指点 $v$ 是不可能不经过父节点 $u$ 为回到祖先节点(包括父节点),所以顶点 $u$ 是割点。如果 $low_v=num_u$ 表示还可以回到父节点,如果顶点 $v$ 不能回到祖先也没有另外一条回到父亲的路,那么 $u-v$ 这条边就是割边。

代码实现

下面代码实现了求割边,其中,当 isbridge[x] 为真时,(father[x],x) 为一条割边。

// C++ Version
int low[MAXN], dfn[MAXN], iscut[MAXN], dfs_clock;
bool isbridge[MAXN];
vector<int> G[MAXN];
int cnt_bridge;
int father[MAXN];

void tarjan(int u, int fa) {
  father[u] = fa;
  low[u] = dfn[u] = ++dfs_clock;
  for (int i = 0; i < G[u].size(); i++) {
    int v = G[u][i];
    if (!dfn[v]) {
      tarjan(v, u);
      low[u] = min(low[u], low[v]);
      if (low[v] > dfn[u]) {
        isbridge[v] = true;
        ++cnt_bridge;
      }
    } else if (dfn[v] < dfn[u] && v != fa) {
      low[u] = min(low[u], dfn[v]);
    }
  }
}
# Python Version
low = [] * MAXN; dfn = [] * MAXN; iscut = [] * MAXN; dfs_clock = 0
isbridge = [False] * MAXN
G = [[0 for i in range(MAXN)] for j in range(MAXN)]
cnt_bridge = 0
father = [] * MAXN

def tarjan(u, fa):
    father[u] = fa
    low[u] = dfn[u] = dfs_clock
    dfs_clock = dfs_clock + 1
    for i in range(0, len(G[u])):
        v = G[u][i]
        if dfn[v] == False:
            tarjan(v, u)
            low[u] = min(low[u], low[v])
            if low[v] > dfn[u]:
                isbridge[v] = True
                cnt_bridge = cnt_bridge + 1
        elif dfn[v] < dfn[u] and v != fa:
            low[u] = min(low[u], dfn[v])

练习

Tarjan 算法还有许多用途,常用的例如求强连通分量,缩点,还有求 2-SAT 的用途等。