Tarjan 是个著名的计算机科学家,他发明了很多算法,在求解图的连通性有关问题时,最著名的应该是割点割边和强连通分量。

什么是割点和割边

在图中去掉这个点和它的所有直接连边,原来联通的图就不联通了,那它就是割点。

在图中去掉这条边,原来联通的图就不联通了,那它就是割边。

非连通图的所有连通块的割点(割边)集合的并是它的割点(割边)集合。

怎么找割点割边

tarjan 算法核心在于 dfs,将图转化为 dfs 树,并记录 dfn(一种dfs序,又名时间戳)。

考虑对图 dfs,dfn[i] 代表 i 节点的访问次序。一次 dfs 下来,由于我们有 if(vis[y])continue; 的判断,所以必然有一些边我们没有走,那那些我们走过的边就必然构成一棵 dfs 树,那些舍弃的边就是 dfs 树中的反向边。

首先,考虑树根。只要树根有多于1个儿子,它就是割点

令 low[i] 表示节点 i 的子树中的节点通过各自的反向边(只走反向边)能够向上回溯到的dfn最小的节点。

想想,\(low[y]\ge dfn[x]\) (y是x的儿子之一)是什么意思?就说明y子树中的节点没有跟x子树外部节点的有效连边。因此,x 就是一个割点。

割边也很好找,因为反向边必然不是割边,因此只要 dfn[y]>x 那边\(x\leftrightarrow y\) 就是割边。且,这时不用特判树根

代码演示(割点

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=2e4+5;
int dfn[N],low[N];
bool iscv[N],vis[N];
vector<int>G[N];
int ord=0,cnt=0;
void dfs(int x,int rt){
	dfn[x]=low[x]=++ord;
	for(int i=0;i<G[x].size();i++){
		int y=G[x][i];
		if(!dfn[y]){
			dfs(y,rt);
			low[x]=min(low[x],low[y]);
			if(low[y]>=dfn[x])iscv[x]=1;
			if(x==rt) cnt++;
		}
		else low[x]=min(low[x],dfn[y]);
	}
}
int main(){
	int n,m;
	cin>>n>>m;
	int u,v;
	for(int i=1;i<=m;i++){
		cin>>u>>v;
		G[u].push_back(v);
		G[v].push_back(u);
	}
	for(int i=1;i<=n;i++)
	    if(!dfn[i]){
	    	cnt=0;
	        dfs(i,i);
	        if(cnt>1) iscv[i]=1;
	        else iscv[i]=0;
	    }
	int ans=0;
	for(int i=1;i<=n;i++) if(iscv[i]) ans++;
	cout<<ans<<endl;
	for(int i=1;i<=n;i++) if(iscv[i]) cout<<i<<' ';
}

什么是(有向图的)强连通分量

有向图的一个极大联通子图是它的一个强连通分量。

两个要点:极大,联通。联通好理解,分量中任意两点\(u\to v\) 两两可达。注意!有向图,因此仅仅u可达v,v却不可达u是不可以的;极大:如果一个强连通分量的子连通分量也是一个节点两两可达的子图,那它也不算一个强连通分量,因为还有比他更大且包含它的

怎么找强连通分量

代码其实和割点割边差不太多,做法含义有所不同

同样有low,dfn两个数组,还有一个栈。到达一个点就把它入栈,查看它的所有儿子,如果不是反向边,就递归这个儿子,然后更新low[x]=min(low[x],low[y])。如果是反向边,注意,如果反向边的那一头是一个已经找到强连通分量的点,那就忽略这条边,否则,更新low[x]。一个要点是,只有还没有找到强连通分量的点才在栈中,段末有解答。

当我们查看完所有x的儿子后,我们判断x是不是强连通分量的根。他是一个强联通分量的根当且仅当此时还low[x]=dfn[x],那么这个强连通分量包含的节点就是x的子树中所有还没找到归属地的节点,这些节点哪里找,就在栈顶到栈中x所在位置的这一个区间,我们把他们收拾起来,然后一一退栈(已经不需要解答了吧)

代码(模板题链接)

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N=1e4+5;
int top,ord,Bcnt;
int stk[N],instk[N],dfn[N],low[N];
vector<int>G[N],B[N];
void scc(int x){
	dfn[x]=low[x]=++ord;
	stk[++top]=x;
	instk[x]=1;
	for(int i=0;i<G[x].size();i++){
		int y=G[x][i];
		if(!dfn[y]){
			scc(y);
			low[x]=min(low[x],low[y]);
		}
		else if(instk[y])
			low[x]=min(low[x],low[y]);
	}
	if(dfn[x]==low[x]){
		Bcnt++;
		while(top){
			instk[stk[top]]=0;
			B[x].push_back(stk[top]);
			top--;
			if(stk[top+1]==x)break;
		}
		sort(B[x].begin(),B[x].end());
		if(x!=B[x].front())
			B[B[x].front()]=B[x],B[x].clear();
	}
}
int main()
{
	int n,m,u,v;
	cin>>n>>m;
	for(int i=1;i<=m;i++){
		cin>>u>>v;
		G[u].push_back(v);
	}
	for(int i=1;i<=n;i++)
		if(!dfn[i])
			scc(i);
	cout<<Bcnt<<endl;
	for(int i=1;i<=n;i++){
		if(!B[i].size())continue;
		for(int j=0;j<B[i].size();j++)
			cout<<B[i][j]<<' ';
		puts("");
	}
}