Przeszukiwanie wszerz
Przeszukiwanie wszerz (ang. breadth-first search, w skrócie BFS) – jeden z dwóch podstawowych algorytmów przeszukiwania grafu. Polega na przeglądaniu wierzchołków grafu według ich odległości od wierzchołka źródłowego (wyrażanej w liczbie krawędzi).
Przebieg algorytmu
- Oznacz wszystkie wierzchołki grafu jako nieodwiedzone.
- Odwiedź wierzchołek źródłowy, dodaj go do kolejki Q.
- Dopóki kolejka Q nie jest pusta:
- Pobierz pierwszy wierzchołek z kolejki (usuwając go z niej).
- Odwiedź wszystkie jeszcze nieodwiedzone wierzchołki sąsiednie tego wierzchołka, dodaj je do kolejki Q.
Zwyczajowo przyjmuje się, że:
- nieodwiedzone wierzchołki są oznaczone jako białe,
- odwiedzone wierzchołki znajdujące się w kolejce Q oznaczone są jako szare,
- odwiedzone wierzchołki spoza kolejki Q (te, których sąsiedzi są na pewno odwiedzeni) oznaczone są jako czarne.
Złożoność
Oznaczmy przez v liczbę wierzchołków grafu i przez e liczbę jego krawędzi. Początkowa część algorytmu ma złożoność O(v) – oznaczamy każdy wierzchołek. Liczba relacji sąsiedztwa jest równa liczbie krawędzi (lub jej dwukrotności, jeśli graf jest nieskierowany), więc złożoność czasowa głównej pętli algorytmu to O(e). Łącznie złożoność algorytmu jest więc rzędu O(v+e).
Jeśli każdy wierzchołek jest osiągalny ze źródła (po zakończeniu działania algorytmu nie będzie nieodwiedzonych wierzchołków), to e ≥ (v−1). Przy takim założeniu złożoność czasowa algorytmu wynosi O(e).
Zastosowanie
Za pomocą przeszukiwania grafu wszerz można wyznaczyć najkrótsze pod względem liczby krawędzi (ale nie wag!) ścieżki między wierzchołkiem źródłowym a pozostałymi wierzchołkami. Algorytm ten może być więc wykorzystany do rozwiązania szczególnego przypadku problemu najkrótszej ścieżki, gdy wszystkie krawędzie mają taką samą dodatnią wagę. Przeszukiwanie wszerz jest częścią składową niektórych bardziej zaawansowanych algorytmów grafowych, np. algorytmu Edmondsa-Karpa.
Bibliografia
- T.H. Cormen, Ch.E. Leiserson, R.L. Rivest, C. Stein, Wprowadzenie do algorytmów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012, ISBN 9788301169114.
Liczba głosów: 3.
- Przeszukiwanie w głąb
- Przeszukiwanie wszerz
Dodano: 21 listopada 2017 17:35, ostatnia edycja: 30 stycznia 2019 15:55.
Zobacz też
Metoda przyrostowa – technika projektowania algorytmów polegająca na dodawaniu do rozwiązania kolejnych elementów z danych wejściowych. Przykładem algorytmu opartego na tej metodzie jest sortowanie przez wstawianie, gdzie kolejne elementy są wstawiane do posortowanej części tablicy.
Jest to metoda prosta, jednak sprawdza się tylko dla niektórych problemów obliczeniowych.
Algorytm heurystyczny, heurystyka – algorytm niedający (w ogólnym przypadku) gwarancji znalezienia rozwiązania optymalnego, umożliwiający jednak znalezienie rozwiązania dość dobrego w rozsądnym czasie. Algorytmy tego typu używane są w takich problemach obliczeniowych, gdzie znalezienie rozwiązania optymalnego ma zbyt dużą złożoność obliczeniową (w szczególności są to problemy NP-trudne) lub w ogóle nie jest możliwe. Metody heurystyczne zaliczają się do sztucznej inteligencji.
Pojęcie algorytmów heurystycznych jest bardzo szerokie, dotyczy ono różnych technik projektowania algorytmów. Wiele heurystyk wykorzystuje losowość, inne zaś są deterministyczne (wówczas dla takich samych danych wejściowych algorytm zawsze zwróci ten sam wynik).
Ogólny algorytm heurystyczny (opisujący samą ideę poszukiwań) bywa określany w literaturze jako metaheurystyka. Zgodnie z tym nazewnictwem, metaheurystyką jest np. algorytm zachłanny (jako ogólna idea), zaś heurystyką jest np. algorytm najbliższego sąsiada (jako zastosowanie idei algorytmu zachłannego do konkretnego problemu).
Przykładowe techniki konstruowania algorytmów heurystycznych to:
- przeszukiwanie lokalne,
- algorytmy zachłanne,
- symulowane wyżarzanie,
- przeszukiwanie tabu,
- algorytmy genetyczne.
Algorytm Dijkstry – algorytm służący do wyznaczania najkrótszych ścieżek w grafie. Wyznacza najkrótsze ścieżki z jednego wierzchołka (zwanego wierzchołkiem źródłowym) do pozostałych wierzchołków. Algorytm wymaga, aby wagi krawędzi grafu nie były ujemne. Autorem algorytmu jest holenderski naukowiec Edsger Dijkstra.
Algorytm realizuje podejście zachłanne. W każdej iteracji wybierany jest ten spośród nieodwiedzonych wierzchołków, do którego można dotrzeć najmniejszym kosztem. Po wyznaczeniu ścieżki do konkretnego wierzchołka nie zostanie ona zmodyfikowana w trakcie wykonywania dalszej części algorytmu.