數據結構與演算法 | 深搜(DFS)與廣搜(BFS)

来源:https://www.cnblogs.com/jzhlin/archive/2023/10/26/Search.html
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在查找二叉樹某個節點時,如果把二叉樹所有節點理理解為解空間,待找到那個節點理解為滿足特定條件的解,對此解答可以抽象描述為: _在解空間中搜索滿足特定條件的解_,這其實就是搜索演算法(Search)的一種描述。當然也有其他描述,比如是“指一類用於在數據集合中查找特定項或解決問題的演算法”,又或者是“指通過... ...


深搜(DFS)與廣搜(BFS)

在查找二叉樹某個節點時,如果把二叉樹所有節點理解為解空間,待找到那個節點理解為滿足特定條件的解,對此解答可以抽象描述為: 在解空間中搜索滿足特定條件的解,這其實就是搜索演算法(Search)的一種描述。當然也有其他描述,比如是“指一類用於在數據集合中查找特定項或解決問題的演算法”,又或者是“指通過按照一定規則逐一檢查數據,以找到所需的信息或解決特定的問題。”等等。

搜索演算法在電腦科學和信息檢索中具有廣泛的應用,包括搜索引擎、資料庫查詢、排序、路徑規劃、機器學習和人工智慧等領域。其中最基礎之一的搜索演算法就是 深度優先搜索(Depth First search,簡稱 DFS)和廣度優先搜索(Breadth First Search,簡稱 BFS)。

PS:因發明“深度優先搜索演算法”,約翰·霍普克洛夫特 與 羅伯特·塔揚在1986年共同獲得電腦領域的最高獎圖靈獎

在寫這兩種演算法之前,先看幾個數據結構。

隊列(Queue)、棧(Stack)

排隊相信是日常生活中購物時可能遇到的情況,其中最重要的一個原則就是先來的先買。同樣的,可以把類似這種規則應用在數據結構上,那麼這種數據結構就是隊列(Queue):是一種線性數據結構,遵循先進先出(First-In-First-Out,FIFO)的原則。

(PS:什麼叫線性數據?指一種數據元素的有序集合,其中元素之間存線上性(有序)關係。)

其兩個基本的操作:

  • 入隊(Enqueue): 向隊列的末尾添加一個新元素。這個操作將新元素排隊等待被處理。通常,它是隊列中元素的最後一個操作。
  • 出隊(Dequeue): 從隊列的前端移除一個元素,並返回它。這個操作模擬了第一個等待的元素被處理的情況。通常,出隊操作是隊列中元素的第一個操作。

如果把隊列遵循的原則進行修改為後進先出,這樣就演變出另外一種數據結構 棧(Stack):是一種線性數據結構,它遵循先進後出(Last-In-First-Out,LIFO)的原則。

同樣類似隊列兩個基本操作:

  • 入棧(Push): 向棧頂添加一個新元素。
  • 出棧(Pop): 從棧頂移除元素。

PS:棧頂(Top)是當前位於棧的頂部的元素,也是棧中唯一一個可見的元素。

LeetCode 20. 有效的括弧【簡單】

給定一個只包括 '(',')','{','}','','' 的字元串 s ,判斷字元串是否有效。
有效字元串需滿足:

  • 左括弧必須用相同類型的右括弧閉合。
  • 左括弧必須以正確的順序閉合。
  • 每個右括弧都有一個對應的相同類型的左括弧。

雙端隊列(Double-Ended Queue,簡稱 Deque)

如果要一個數據結構即支持隊列的操作也支持棧的操作,雙端隊列(Double-Ended Queue,簡稱Deque)是這樣一種線性數據結構,它具有隊列和棧的特性,允許在隊列的兩端執行插入和刪除操作。雙端隊列支持元素的快速插入和刪除,無論是在隊列的前端(頭部)還是後端(尾部),因此它被稱為"雙端",即有兩個端點。

雙端隊列的存儲實現上既可以 是鏈表,也可以是 數組;可以根據實際情況進行選擇。

		// java 示例代碼
        Deque<Integer> dequeList = new LinkedList<>();
        Deque<Integer> dequeArray = new ArrayDeque<>();

PS:由於雙端隊列能夠覆蓋 棧、隊列兩者的操作,使用Java解決演算法題時,如需使用棧(Stack)、隊列(Queue)情況 經常都會使用 Deque 來完成。

深度搜索(Depth-First Search,DFS)中的"深度"指的是在搜索問題的解空間時,演算法首先沿著一條路徑深入到解空間中,直到達到最深處或者無法再深入為止;然後再回退並繼續探索下一個分支。

雖然 在上一篇 二叉樹 中沒提及這個名稱,但其實上篇涉及的幾個演算法問題解法都是深度搜索;DFS通常使用遞歸或棧(堆棧)數據結構來實現,在這裡不妨再練習一題。

LeetCode 113. 路徑總和 II 【中等】

給你二叉樹的根節點 root 和一個整數目標和 targetSum ,找出所有 從根節點到葉子節點 路徑總和等於給定目標和的路徑。葉子節點 是指沒有子節點的節點。

廣度搜索(Breadth-First Search,BFS)中的"廣度"指的是演算法在搜索問題的解空間時,從起始點開始逐層地向外擴展,以確保先探索當前層的所有節點,然後再深入到下一層的節點,層層展開。

所謂“層層展開” 例如在二叉樹結構中,根節點是第0層,子節點是第1層,孫子節點是第2層,依此類推。BFS通常使用隊列數據結構來實現。

LeetCode 515. 在每個樹行中找最大值【中等】

給定一棵二叉樹的根節點 root ,請找出該二叉樹中每一層的最大值。

LeetCode 695. 島嶼的最大面積【中等】

給你一個大小為 m x n 的二進位矩陣 grid 。
島嶼 是由一些相鄰的 1 (代表土地) 構成的組合,這裡的「相鄰」要求兩個 1 必須在 水平或者豎直的四個方向上 相鄰。你可以假設 grid 的四個邊緣都被 0(代表水)包圍著。
島嶼的面積是島上值為 1 的單元格的數目。計算並返回 grid 中最大的島嶼面積。如果沒有島嶼,則返回面積為 0 。


總結下

  • 隊列(Queue)、棧(Stack)數據結構開始,引出到 雙端隊列(Double-Ended Queue);
  • 深度搜索(Depth-First Search)的基本應用,通常使用遞歸或棧(堆棧)數據結構來實現;
  • 廣度優先搜索(Breadth First Search)的基本應用,通常使用隊列數據結構來實現。
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