拓扑排序是指将一个有向无环图(Directed Acyclic Graph, DAG)进行线性化,使得在该序列中,若存在一条从顶点 A 到顶点 B 的有向边,则在该序列中顶点 A 出现在顶点 B 之前。即所谓的“拓扑排序”。拓扑排序最主要的应用就是判断一个有向无环图是否存在环。
强联通的有向图存在拓扑序列,正如所有图都存在一种拓扑排序。 然而,拓扑排序只对有向无环图(DAG)有意义。 在这种图形中,每个顶点都有一个儿子,从而可以对图形进行排序。
对于强连通的有向图,即每个节点都可以通过有向边访问到的有向图,是否存在拓扑排序这一问题,就需要我们进一步的分析和思考。本文将从理论和实践两个角度来分析这个问题。
理论角度
首先,我们需要明确的是:在一个有向图G中,如果存在环(即不是一个DAG),那么这个有向图无法进行拓扑排序,并且这个DAG还需要满足每个节点都有一个儿子的条件。
其次我们可以证明当且仅当这个图是一个有向无环图(DAG)时,才存在一种拓扑排序,这个结论很好证明。可以通过反证法来证明:
假设G是一个强连通的有向图,并且它有一个拓扑序列,那么G一定是一个DAG,因为对于每个元素i,在i之后出现的所有元素可以由i到达,但是由于G是有向无环图,所以有i之后出现的所有元素都可以由i到达。但是如何证明只有当G是一个DAG时,才存在一个拓扑排序呢?
我们可以采用反证法:假设G是一个强连通但不是一个DAG的有向图,这意味着G中存在环路。 接下来,我们考虑在这个环路上选择一个节点X,由于X在环路上,所以它必须以一些其他节点Y的儿子形式出现。 因此,它不能是Y的父节点,由此导致一个循环,因此不存在拓扑排序。
因此,上述的理论分析表明:强连通的有向图不存在拓扑排序,故不存在任何一种拓扑序列。
实践角度
从实践角度来看,当我们遇到类似于强连通图这类问题时,在实践中我们更多的是采用其他的方法解决这类问题,而不是研究其是否存在拓扑排序这一问题。
在实际场景下,通常有两种解决方案。
一种是缩点方法。 具体来说,通过缩合所有强连通分量来将这种情况转化为DAG,然后就可以使用常规的拓扑排序算法。
另外一种是 Kosaraju 算法。Kosaraju 算法是一种强连通分量算法,其具体的实现方法为:先对原图进行一次 DFS,得到一个反图;然后对反图进行一次 DFS,每次 DFS 的时候将访问到的节点加入一个集合中。这样,最终得到的集合就是原图的强连通分量。
综上所述,我们不可以对强连通的有向图进行拓扑排序。在实际场景中,我们可以采用缩点方法或者 Kosaraju 算法来解决这一类问题。
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