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秒懂算法 | 满m叉树模型——图的m可着色问题的回溯算法

实例图解该问题回溯算法求解过程。


01

实例构造


给定如图5-43所示的无向连通图和m=3。

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图5-43 无向连通图


图的m着色问题的搜索过程如图5-44~图5-49所示。从根节点A开始,节点A是当前的活节点,也是当前的扩展节点,它代表的状态是给定无向连通图中任何一个顶点还没有着色,如图5-44(a)所示。沿着x1=1分支扩展,满足约束条件,生成的节点B成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-44(b)所示。扩展节点B沿着x2=1分支扩展,不满足约束条件,生成的节点被剪掉。然后沿着x2=2分支扩展,满足约束条件,生成的节点C成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-44(c)所示。扩展节点C沿着x3=1,2分支扩展,均不满足约束条件,生成的节点被剪掉。然后沿着x3=3分支扩展,满足约束条件,生成的节点D成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-44(d)所示。

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图5-44 图的m着色问题的搜索过程(一)


扩展节点D沿着x4=1分支扩展,满足约束条件,生成的节点E成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-45(a)所示。扩展节点E沿着x5=1,2分支扩展,均不满足约束条件,生成的节点被剪掉。然后沿着x5=3分支扩展,满足约束条件,生成的节点F是叶子节点。此时,找到了一种着色方案,如图5-45(b)所示。从叶子节点F回溯到活节点E,节点E的所有孩子节点已搜索完毕,因此它成为死节点。继续回溯到活节点D,节点D再次成为扩展节点,如图5-45(c)所示。

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图5-45 图的m着色问题的搜索过程(二)


扩展节点D沿着x4=2和x4=3分支扩展,均不满足约束条件,生成的节点被剪掉。再回溯到活节点C。节点C的所有孩子节点搜索完毕,它成为死节点,继续回溯到活节点B,节点B再次成为扩展节点,如图5-46(a)所示。扩展节点B沿着x2=3分支继续扩展,满足约束条件,生成的节点G成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-46(b)所示。扩展节点G沿着x3=1分支扩展,不满足约束条件,生成的节点被剪掉;然后沿着x3=2分支扩展,满足约束条件,生成的节点H成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-46(c)所示。

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图5-46 图的m着色问题的搜索过程(三)


扩展节点H沿着x4=1分支扩展,满足约束条件,生成的节点I成为活节点,并且成为当前的扩展节点,如图5-47(a)所示。扩展节点I沿着x5=1分支扩展,不满足约束条件,生成的节点被剪掉;然后沿着x5=2分支扩展,满足约束条件,J已经是叶子节点,找到第2种着色方案,如图5-47(b)所示。从叶子节点J回溯到活节点I,节点I再次成为扩展节点,如图5-47(c)所示。

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图5-47 图的m着色问题的搜索过程(四)


沿着节点I的 x5=3分支扩展的节点不满足约束条件,被剪掉。此时节点I成为死节点。继续回溯到活节点H,节点H再次成为扩展节点,如图5-48(a)所示。沿着节点H的x4=2,3分支扩展的节点不满足约束条件,被剪掉。此时节点H成为死节点。继续回溯到活节点G,节点G再次成为扩展节点,如图5-48(b)所示。沿着节点G的x3=3分支扩展的节点不满足约束条件,被剪掉。此时节点G成为死节点。继续回溯到活节点B,节点B的孩子节点已搜索完毕,继续回溯到节点A,如图5-48(c)所示。

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图5-48 图的m着色问题的搜索过程(五)


以此类推,扩展节点A沿着x1=2,3分支扩展的情况如图5-49所示。

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图5-49 图的m着色问题的搜索过程(六)


最终找到6种着色方案,分别为根节点A到如图5-49(b)所示的叶子节点F、J、O、S、X、I的路径,即(1,2,3,1,3)、(1,3,2,1,2)、(2,1,3,2,3)、(2,3,1,2,1)、(3,1,2,3,2)和(3,2,1,3,1)。


实例讲解

算法设计与分析(Python版)

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精彩回顾

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下期预告

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02

参考书籍

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03

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