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哈密頓迴路
什麼是哈密頓迴路?
哈密頓迴路(或環路)是在圖中的一條路徑,它訪問每個頂點恰好一次並返回到起始頂點,形成一個閉環。只有當圖包含哈密頓迴路時,該圖才被稱為哈密頓圖,否則被稱為非哈密頓圖。
圖是一種抽象資料型別 (ADT),由透過連結連線的一組物件組成。
哈密頓迴路問題的實際應用可見於網路設計、交付系統等許多領域。但是,該問題的解決方案僅適用於小型圖,而不適用於大型圖。
輸入輸出場景
假設給定的無向圖 G(V, E) 及其鄰接矩陣如下所示:
可以使用回溯演算法在上述圖中查詢哈密頓路徑。如果找到,演算法將返回路徑;如果沒有找到,則返回 false。對於這種情況,輸出應為 (0, 1, 2, 4, 3, 0)。
使用回溯法查詢哈密頓迴路
解決哈密頓迴路問題的樸素方法是生成所有可能的頂點配置,並檢查是否有任何配置滿足給定的約束條件。但是,這種方法不適用於大型圖,因為其時間複雜度為 (O(N!))。
以下步驟解釋了回溯方法的工作原理:
首先,建立一個空的路徑陣列,並將起始頂點 0 新增到其中。
接下來,從頂點 1 開始,然後逐個新增其他頂點。
新增頂點時,檢查給定頂點是否與先前新增的頂點相鄰,並且尚未新增。
如果找到任何這樣的頂點,則將其作為解決方案的一部分新增到路徑中,否則返回 false。
示例
以下示例演示如何在給定的無向圖中查詢哈密頓迴路。
#include <stdio.h>
#define NODE 5
int graph[NODE][NODE] = {
{0, 1, 0, 1, 0},
{1, 0, 1, 1, 1},
{0, 1, 0, 0, 1},
{1, 1, 0, 0, 1},
{0, 1, 1, 1, 0},
};
int path[NODE];
// Function to display the Hamiltonian cycle
void displayCycle() {
printf("Cycle Found: ");
for (int i = 0; i < NODE; i++)
printf("%d ", path[i]);
// Print the first vertex again
printf("%d\n", path[0]);
}
// Function to check if adding vertex v to the path is valid
int isValid(int v, int k) {
// If there is no edge between path[k-1] and v
if (graph[path[k - 1]][v] == 0)
return 0;
// Check if vertex v is already taken in the path
for (int i = 0; i < k; i++)
if (path[i] == v)
return 0;
return 1;
}
// Function to find the Hamiltonian cycle
int cycleFound(int k) {
// When all vertices are in the path
if (k == NODE) {
// Check if there is an edge between the last and first vertex
if (graph[path[k - 1]][path[0]] == 1)
return 1;
else
return 0;
}
// Try adding each vertex (except the starting point) to the path
for (int v = 1; v < NODE; v++) {
if (isValid(v, k)) {
path[k] = v;
if (cycleFound(k + 1) == 1)
return 1;
// Backtrack: Remove v from the path
path[k] = -1;
}
}
return 0;
}
// Function to find and display the Hamiltonian cycle
int hamiltonianCycle() {
for (int i = 0; i < NODE; i++)
path[i] = -1;
// Set the first vertex as 0
path[0] = 0;
if (cycleFound(1) == 0) {
printf("Solution does not exist\n");
return 0;
}
displayCycle();
return 1;
}
int main() {
hamiltonianCycle();
return 0;
}
#include <iostream>
#define NODE 5
using namespace std;
int graph[NODE][NODE] = {
{0, 1, 0, 1, 0},
{1, 0, 1, 1, 1},
{0, 1, 0, 0, 1},
{1, 1, 0, 0, 1},
{0, 1, 1, 1, 0},
};
int path[NODE];
// Function to display the Hamiltonian cycle
void displayCycle() {
cout << "Cycle Found: ";
for (int i = 0; i < NODE; i++)
cout << path[i] << " ";
// Print the first vertex again
cout << path[0] << endl;
}
// Function to check if adding vertex v to the path is valid
bool isValid(int v, int k) {
// If there is no edge between path[k-1] and v
if (graph[path[k - 1]][v] == 0)
return false;
// Check if vertex v is already taken in the path
for (int i = 0; i < k; i++)
if (path[i] == v)
return false;
return true;
}
// function to find the Hamiltonian cycle
bool cycleFound(int k) {
// When all vertices are in the path
if (k == NODE) {
// Check if there is an edge between the last and first vertex
if (graph[path[k - 1]][path[0]] == 1)
return true;
else
return false;
}
// adding each vertex to the path
for (int v = 1; v < NODE; v++) {
if (isValid(v, k)) {
path[k] = v;
if (cycleFound(k + 1) == true)
return true;
// Remove v from the path
path[k] = -1;
}
}
return false;
}
// Function to find and display the Hamiltonian cycle
bool hamiltonianCycle() {
for (int i = 0; i < NODE; i++)
path[i] = -1;
// Set the first vertex as 0
path[0] = 0;
if (cycleFound(1) == false) {
cout << "Solution does not exist" << endl;
return false;
}
displayCycle();
return true;
}
int main() {
hamiltonianCycle();
}
public class HamiltonianCycle {
static final int NODE = 5;
static int[][] graph = {
{0, 1, 0, 1, 0},
{1, 0, 1, 1, 1},
{0, 1, 0, 0, 1},
{1, 1, 0, 0, 1},
{0, 1, 1, 1, 0}
};
static int[] path = new int[NODE];
// method to display the Hamiltonian cycle
static void displayCycle() {
System.out.print("Cycle Found: ");
for (int i = 0; i < NODE; i++)
System.out.print(path[i] + " ");
// Print the first vertex again
System.out.println(path[0]);
}
// method to check if adding vertex v to the path is valid
static boolean isValid(int v, int k) {
// If there is no edge between path[k-1] and v
if (graph[path[k - 1]][v] == 0)
return false;
// Check if vertex v is already taken in the path
for (int i = 0; i < k; i++)
if (path[i] == v)
return false;
return true;
}
// method to find the Hamiltonian cycle
static boolean cycleFound(int k) {
// When all vertices are in the path
if (k == NODE) {
// Check if there is an edge between the last and first vertex
if (graph[path[k - 1]][path[0]] == 1)
return true;
else
return false;
}
// adding each vertex (except the starting point) to the path
for (int v = 1; v < NODE; v++) {
if (isValid(v, k)) {
path[k] = v;
if (cycleFound(k + 1))
return true;
// Remove v from the path
path[k] = -1;
}
}
return false;
}
// method to find and display the Hamiltonian cycle
static boolean hamiltonianCycle() {
for (int i = 0; i < NODE; i++)
path[i] = -1;
// Set the first vertex as 0
path[0] = 0;
if (!cycleFound(1)) {
System.out.println("Solution does not exist");
return false;
}
displayCycle();
return true;
}
public static void main(String[] args) {
hamiltonianCycle();
}
}
NODE = 5
graph = [
[0, 1, 0, 1, 0],
[1, 0, 1, 1, 1],
[0, 1, 0, 0, 1],
[1, 1, 0, 0, 1],
[0, 1, 1, 1, 0]
]
path = [None] * NODE
# Function to display the Hamiltonian cycle
def displayCycle():
print("Cycle Found:", end=" ")
for i in range(NODE):
print(path[i], end=" ")
# Print the first vertex again
print(path[0])
# Function to check if adding vertex v to the path is valid
def isValid(v, k):
# If there is no edge between path[k-1] and v
if graph[path[k - 1]][v] == 0:
return False
# Check if vertex v is already taken in the path
for i in range(k):
if path[i] == v:
return False
return True
# Function to find the Hamiltonian cycle
def cycleFound(k):
# When all vertices are in the path
if k == NODE:
# Check if there is an edge between the last and first vertex
if graph[path[k - 1]][path[0]] == 1:
return True
else:
return False
# adding each vertex (except the starting point) to the path
for v in range(1, NODE):
if isValid(v, k):
path[k] = v
if cycleFound(k + 1):
return True
# Remove v from the path
path[k] = None
return False
# Function to find and display the Hamiltonian cycle
def hamiltonianCycle():
for i in range(NODE):
path[i] = None
# Set the first vertex as 0
path[0] = 0
if not cycleFound(1):
print("Solution does not exist")
return False
displayCycle()
return True
if __name__ == "__main__":
hamiltonianCycle()
輸出
Cycle Found: 0 1 2 4 3 0
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