Tarjan算法求有向图的强连通分量

算法描述

tarjan算法思想：从一个点开始，进行深度优先遍历，同时记录到达该点的时间（dfn记录到达i点的时间），和该点能直接或间接到达的点中的最早的时间（low[i]记录这个值，其中low的初始值等于dfn）。如图：

　　假设我们从1开始DFS，那么到达1的时间为1，到达2的时间为2，到达3的时间为3。同时，点1能直接或间接到达的点中，最小时间为1，点2能通过3间接到达点1，所以点2可到达最早的点时间为1，点3可以直接到达点1，故点3到达的最早的点的时间为1。）。对于每一个没有被遍历到的点A，如果从当前点有一条到未遍历点A的有向边，则遍历到A，同时将点A入栈，时间戳+1并用dfn[a]记录到达点A的时间，枚举从A发出的每一条边，如果该边指向的点没有被访问过，那么继续dfs，回溯后low[a]=min(low[a],low[j])(其中j为A可以到达的点。)如果该点已经访问过并且该点仍在栈里，那么low[a]=min(low[a],dfn[j])。

解释：

　　若点j没有被访问过，那么回溯后low[j]就是j能到达最早点，a能到达的最早点当然就是a本身能到达的最早点，或者a通过j间接到达的最早点。若点j已经被访问过，那么low[j]必然没有被回溯所更新。所以low[a]就等于a目前能到达的最小点或a直接到达点j时点j的访问时间。注意：两个句子中的“或”其实指的是两者的最小值。

那么如果我们回溯到一个点K他的low[k]=dfn[k]那么我们将K及其以前在栈中的点依次弹出，这些点即为一个强连通分量。(说明从k出发又回到k)

证明：

　　因为该点dfn=low，所以在栈中的该点以上的点都能由该点直接或间接的到达。同时栈中在该点前的任意一点j，其dfn[j] != low[j]（否则点j比点k靠前，又因为dfn[j]=low[j]，j一定先被弹出了。）那么这个点j通过low[j]这个时间的点，一定能到达点k，否则，low[j]能到达点i，又因为dfn>=low所以有2种情况1、dfn>low:那么我们可以找到前面一个更小的点。2、dfn=low：应该在回溯到i的时候就找到了一个强连通分量，从而出栈了。而点k前的点没有出栈，证明其中任意一点都能直接或者间接到达点k，进而证明这些点可以两两互达。

先用简单模板刷一道水题入门：

迷宫城堡

本题的边不带权值，可以用vector表示邻接链表:

#include <cstdio>
#include <memory.h>
#include <vector>
#include <algorithm>

using namespace std;

//本题的顶点号从1到n，故可直接用作vector的下标，不需要用head数组离散化 

const int MAXN = 10001;

int top;
int Stack[MAXN];
bool inStack[MAXN];
//DFN(u)为节点u搜索的次序编号(时间戳)，Low(u)为u或u的子树能够追溯到的最早的栈中节点的次序号  
int dfn[MAXN], low[MAXN];
int Bcnt, Dindex; //记录强连通的个数和当前时间 
vector<int> ve[MAXN]; //邻接表保存边

void init() {
    Bcnt = Dindex = top = 0;
    memset(dfn, -1, sizeof dfn);
    memset(inStack, false, sizeof inStack);
    for (int i = 1; i < MAXN; ++i) ve[i].clear();
}

void tarjan(int u) {
    int v = 0;
    dfn[u] = low[u] = ++Dindex;
    inStack[u] = true;
    Stack[++top] = u;
    int t = ve[u].size();
    for (int i = 0; i < t; ++i) {
        v = ve[u][i];
        if (dfn[v] == -1) {
            tarjan(v);
            low[u] = min(low[u], low[v]);
        } else if (inStack[v])
            low[u] = min(low[u], dfn[v]);
    }
    if (dfn[u] == low[u]) {
        Bcnt++;
        do {
            v = Stack[top--];
            inStack[v] = false;
        } while (u != v);
    }
} 

int main() {
#ifndef ONLINE_JUDGE
    freopen("in.txt", "r", stdin);
    freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
    int n, m;
    while (scanf("%d%d", &n, &m) != EOF) {
        if (m == 0 && n == 0) break;
        init();
        while (m--) {
            int a, b;
            scanf("%d%d", &a, &b);
            ve[a].push_back(b); 
        }
        for (int i = 1; i <= n; ++i) 
            if (dfn[i] == -1) tarjan(i);
        if (Bcnt == 1) puts("Yes");
        else puts("No");
    } 

    return 0;
}

Summer Holiday

只需找出所有的强连通分量，然后遍历所有的边，对于边u->v，若u、v在不同的连通子图，显然v的子图可以从边u->v达到，对于这样的两个强连通分量，可以视为一个子图，只需打电话给u所所在的子图中人，然后让这个人再联系u,v所在的两个强连通分量中的所有人。故只需找出所有的子图，打给每个子图中话费最低的那个人即可。

#include <cstdio>
#include <memory.h>
#include <algorithm> 

const int MAXN = 1001;
struct N {
    int u, v;//u to v
    int next;//下一个顶点 
} edge[MAXN * 2]; //m <= 2000
int head[MAXN], edgenum;

int DFN[MAXN], Low[MAXN], Dindex;//到达某顶点的费用,该子图最小费用 ,当前费用 
int Bcnt, Belong[MAXN];    //强连通分量的个数, 当前顶点所属的连通分量 
int Stack[MAXN], top;
bool inStack[MAXN];


void addedge(int u, int v) {
    N e = {u, v, head[u]};
    edge[edgenum] = e;
    head[u] = edgenum++; 
}

void init() {
    edgenum = top = Bcnt = Dindex =  0;
    memset(head, -1, sizeof head);
    memset(DFN, -1, sizeof DFN);
    memset(inStack, false, sizeof inStack);
}

void tanjar(int u) {
    int v = 0;
    DFN[u] = Low[u] = ++Dindex;
    Stack[++top] = u;
    inStack[u] = true;
    for (int i = head[u]; i != -1; i = edge[i].next) {
        v = edge[i].v;
        if (DFN[v] == -1) {
            tanjar(v);
            Low[u] = std::min(Low[u], Low[v]);
        } else if (inStack[v]) 
            Low[u] = std::min(Low[u], DFN[v]);
    }
    if (DFN[u] == Low[u]) {
        ++Bcnt;
        do {
            v = Stack[top--];
            Belong[v] = Bcnt; //将点加入该强连通图 
            //printf("bcnt = %d v = %d
", Bcnt, v); 
            inStack[v] = false;
        } while (u != v);
    }
}

int main() {
#ifndef ONLINE_JUDGE
    freopen("in.txt", "r", stdin);
    freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
    int n, m;
    int w[MAXN] = {0};
    while (scanf("%d%d", &n, &m) != EOF) {
        init();
        for (int i = 1; i <= n; ++i)
            scanf("%d", &w[i]);
        while (m--) {
            int a, b;
            scanf("%d%d", &a, &b);
            addedge(a, b);
        }
        for (int i = 1; i <= n; ++i) {
            if (DFN[i] == -1) tanjar(i);
        }
        //合并强连通图 
        int mfee[MAXN] = {0};//记录下每个强连图集的最小话费 
        bool inode[MAXN] = {false}; //不可达的连通图 
        int pos = 0;
        for (int i = 0; i < edgenum; ++i) {
            int u = edge[i].u;
            int v = edge[i].v;
            if (Belong[u] != Belong[v])  //v所在的连通子图可以由u到达 
                inode[Belong[v]] = true;
        }
        for (int i = 1; i <= Bcnt; ++i) {
            if (!inode[i]) pos++;
            mfee[i] = 1e9;
        }
        for (int i = 1; i <= n; ++i) {
            int t = Belong[i];
            if (!inode[t]) 
                mfee[t] = std::min(mfee[t], w[i]);
        }
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= Bcnt; ++i) {
            if (mfee[i] != 1e9) sum += mfee[i];
        }
        printf("%d %d
", pos, sum);
    } 

    return 0;
}

Instantaneous Transference

题意：让矿车采到尽可能多的矿。#表示墙，数字表示矿的数目，*表示定点传送，可选择传或者不传，矿车只能向右和向下开，不能倒退。

先来看下SPFA算法，可以求带环最短（最长路径）：Currency Exchange

宝藏

#include <cstdio>
#include <memory.h>
#include <vector>

using namespace std;

const int MAXN = 100001;

inline int Min(int a, int b) {
    return a < b ? a : b;
}

inline int Max(int a, int b) {
    return a > b ? a : b;
}

struct arc {
    int u, v, next;
} edge[150001];
int head[MAXN];
int edgenum;

int DFN[MAXN], Low[MAXN], Dindex;
int Stack[MAXN], top;
bool inStack[MAXN];
int  Belong[MAXN], Bnum[MAXN], Bcnt;

void addedge(int u, int v) {
    arc na = {u, v, head[u]};
    edge[edgenum] = na;
    head[u] = edgenum++;
}

void init() {
    Bcnt = top = Dindex = edgenum = 0; 
    memset(head, -1, sizeof head);
    memset(DFN, 0, sizeof DFN);
    memset(inStack, false, sizeof inStack);
    memset(Bnum, 0, sizeof Bnum);
}

void tarjan(int u) {
    int v = 0;
    DFN[u] = Low[u] = ++Dindex;
    Stack[++top] = u;
    inStack[u] = true;
    for (int i = head[u]; i != -1; i = edge[i].next) {
        v = edge[i].v;
        if (DFN[v] == 0) {
            tarjan(v);
            Low[u] = Min(Low[u], Low[v]);
        } else if (inStack[v]) 
            Low[u] = Min(Low[u], DFN[v]);
    }
    if (DFN[u] == Low[u]) {
        Bcnt++;
        do {
            v = Stack[top--];
            inStack[v] = false;
            Belong[v] = Bcnt;
            Bnum[Bcnt]++;
        } while (u != v);
    }
}

vector<int> G[MAXN]; 
bool vis[MAXN]; 
int dfs(int s) {
    int maxnum = 0;
    vis[s] = true;
    int size = G[s].size();
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        int v = G[s][i];
        if (!vis[v]) {
            int tmp = dfs(v);
            maxnum = Max(maxnum, tmp);
            vis[v] = false;
        }
    }
    return Bnum[s] + maxnum;
}

int main() {
#ifndef ONLINE_JUDGE
    freopen("in.txt", "r", stdin);
    freopen("out.txt", "w", stdout);
#endif
    int n, m, s;
    int caseid = 0;
    while (scanf("%d%d%d", &n, &m, &s) != EOF) {
        init();
        while (m--) {
            int u, v;
            scanf("%d%d", &u, &v);
            addedge(u, v);
        }
        tarjan(s);
        for (int i = 1; i <= Bcnt; ++i) G[i].clear();
        for (int i = 0; i < edgenum; ++i) {
            if (DFN[edge[i].u] == 0) continue;
            int u = Belong[edge[i].u];
            int v = Belong[edge[i].v];
            if (u != v) G[u].push_back(v);
        }
        memset(vis, false, sizeof vis);
        printf("Case %d:
%d
", ++caseid, dfs(Belong[s]));
    }
    return 0;
}