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M著色問題
什麼是M著色問題?
在M著色問題中,我們的任務是確定是否可以為給定圖的節點分配m種不同的顏色,使得圖中沒有兩個相鄰的頂點具有相同的顏色。如果存在解決方案,則顯示每個頂點分配了哪種顏色。M著色問題實際上用於解決諸如聚類、排程、作業分配等問題。
圖是一種抽象資料型別(ADT),由一組透過連結連線的物件組成。
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:
設最大顏色m = 3,表示可使用的最大顏色數。回溯演算法可用於解決上述圖的M著色問題。此演算法將返回哪個節點將分配哪個顏色。如果解決方案不可行,則將返回false。
對於這種情況,輸出應為節點0 -> 顏色1,節點1 -> 顏色2,節點2 -> 顏色3,節點3 -> 顏色2。下圖說明了這一點:
使用回溯法解決M著色問題
解決M著色問題的簡單方法是生成所有可能的頂點與顏色組合,並檢查是否有任何組合滿足給定的約束條件。但是,對於較大的圖,這種方法效率低下。
要使用回溯法解決M著色問題,請按照以下步驟操作:
從頂點0開始,我們將嘗試逐個將顏色分配給不同的節點。
但是,在分配之前,我們必須檢查顏色是否安全。當相鄰頂點包含相同的顏色時,顏色不安全。
接下來,我們將檢查是否存在任何滿足約束條件的顏色分配。如果存在,我們將該分配標記為M著色問題的解決方案。
示例
在以下示例中,我們將說明如何在給定的無向圖中解決M著色問題。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#define V 4
bool graph[V][V] = {
{0, 1, 1, 1},
{1, 0, 1, 0},
{1, 1, 0, 1},
{1, 0, 1, 0}
};
void showColors(int color[]) {
printf("Assigned Colors are:\n");
for (int i = 0; i < V; i++)
printf("%d ", color[i]);
printf("\n");
}
//check whether putting a color valid for v
bool isValid(int v, int color[], int c) {
for (int i = 0; i < V; i++)
if (graph[v][i] && c == color[i])
return false;
return true;
}
bool graphColoring(int colors, int color[], int vertex) {
//when all vertices are considered
if (vertex == V)
return true;
for (int col = 1; col <= colors; col++) {
//check whether color is valid or not
if (isValid(vertex, color, col)) {
color[vertex] = col;
// go for additional vertices
if (graphColoring(colors, color, vertex + 1))
return true;
color[vertex] = 0;
}
}
//when no colors can be assigned
return false;
}
bool checkSolution(int m) {
//make color matrix for each vertex
int *color = (int *)malloc(V * sizeof(int));
for (int i = 0; i < V; i++)
//initially set to 0
color[i] = 0;
//for vertex 0 check graph coloring
if (graphColoring(m, color, 0) == false) {
printf("Solution does not exist.\n");
free(color);
return false;
}
showColors(color);
free(color);
return true;
}
int main() {
// Number of colors
int colors = 3;
checkSolution(colors);
return 0;
}
#include<iostream>
#define V 4
using namespace std;
bool graph[V][V] = {
{0, 1, 1, 1},
{1, 0, 1, 0},
{1, 1, 0, 1},
{1, 0, 1, 0},
};
void showColors(int color[]) {
cout << "Assigned Colors are: " <<endl;
for (int i = 0; i < V; i++)
cout << color[i] << " ";
cout << endl;
}
//check whether putting a color valid for v
bool isValid(int v,int color[], int c) {
for (int i = 0; i < V; i++)
if (graph[v][i] && c == color[i])
return false;
return true;
}
bool graphColoring(int colors, int color[], int vertex) {
//when all vertices are considered
if (vertex == V)
return true;
for (int col = 1; col <= colors; col++) {
//check whether color is valid or not
if (isValid(vertex,color, col)) {
color[vertex] = col;
// go for additional vertices
if (graphColoring (colors, color, vertex+1) == true)
return true;
color[vertex] = 0;
}
}
//when no colors can be assigned
return false;
}
bool checkSolution(int m) {
//make color matrix for each vertex
int *color = new int[V];
for (int i = 0; i < V; i++)
//initially set to 0
color[i] = 0;
//for vertex 0 check graph coloring
if (graphColoring(m, color, 0) == false) {
cout << "Solution does not exist.";
return false;
}
showColors(color);
return true;
}
int main() {
// Number of colors
int colors = 3;
checkSolution (colors);
}
public class GraphColoring {
static final int V = 4;
static boolean[][] graph = {
{false, true, true, true},
{true, false, true, false},
{true, true, false, true},
{true, false, true, false}
};
static void showColors(int[] color) {
System.out.println("Assigned Colors are:");
for (int i = 0; i < V; i++) {
System.out.print(color[i] + " ");
}
System.out.println();
}
//check whether putting a color valid for v
static boolean isValid(int v, int[] color, int c) {
for (int i = 0; i < V; i++) {
if (graph[v][i] && c == color[i]) {
return false;
}
}
return true;
}
static boolean graphColoring(int colors, int[] color, int vertex) {
//when all vertices are considered
if (vertex == V) {
return true;
}
for (int col = 1; col <= colors; col++) {
//check whether color is valid or not
if (isValid(vertex, color, col)) {
color[vertex] = col;
// go for additional vertices
if (graphColoring(colors, color, vertex + 1)) {
return true;
}
color[vertex] = 0;
}
}
//when no colors can be assigned
return false;
}
static boolean checkSolution(int m) {
//make color matrix for each vertex
int[] color = new int[V];
for (int i = 0; i < V; i++) {
//initially set to 0
color[i] = 0;
}
//for vertex 0 check graph coloring
if (!graphColoring(m, color, 0)) {
System.out.println("Solution does not exist.");
return false;
}
showColors(color);
return true;
}
public static void main(String[] args) {
// Number of colors
int colors = 3;
checkSolution(colors);
}
}
V = 4
graph = [
[0, 1, 1, 1],
[1, 0, 1, 0],
[1, 1, 0, 1],
[1, 0, 1, 0]
]
def show_colors(color):
print("Assigned Colors are:")
for i in range(V):
print(color[i], end=" ")
print()
def is_valid(v, color, c):
for i in range(V):
if graph[v][i] and c == color[i]:
return False
return True
def graph_coloring(colors, color, vertex):
if vertex == V:
return True
for col in range(1, colors + 1):
if is_valid(vertex, color, col):
color[vertex] = col
if graph_coloring(colors, color, vertex + 1):
return True
color[vertex] = 0
return False
def check_solution(m):
color = [0] * V
if not graph_coloring(m, color, 0):
print("Solution does not exist.")
return False
show_colors(color)
return True
if __name__ == "__main__":
colors = 3
check_solution(colors)
輸出
Assigned Colors are: 1 2 3 2
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