求解图的强连通分量的方法(一):Kosaraju算法

一. 基本原理

图1

如图,图中包含了3个强连通分量(简称SCC,下同),从左到右分别设为S_1, S_2, S_3, 则可以抽象为下面的图2,一个圈代表一个SCC

图2

注意到,如果把一个SCC当作一个结点,则这个图为有向无环图,即仅存在从S_1S_3的有向边,不存在从S_3S_1的边,否则S_1和S_3同属一个强连通分量

所以我们只需要用DFS遍历,并使得图遍历的顺序为 S_2 \rightarrow S_3 \rightarrow S_1, 就可以分别遍历S_1,S_2,S_3的所有结点

回到图1,设访问每个强联通分量时第一个访问的结点为这个强连通分量的leader,我们只要找到一个方法使得DFS访问的结点顺序为leader(S_1) \to leader(S_2) \to leader(S_3)即可

则问题转变为如何找到一个访问leader的顺序,使得被指向的SCC先访问
按照DFS访问图1的时候有以下性质

  • 一个SCC的leader总是最先访问,并且最后访问结束(遍历完所有后继结点)
  • 如果有S_1 \to S_2S_2的leader总是先访问结束

如果建立一个栈finishstack,如果结点访问结束,将其push入栈中,则在finishstack 中pop出来的结点顺序我们就称为后逆序,这个后逆序满足先访问结束的SCC的leader 顺序先于后访问结束的SCC的leader。

如果用leader结点代替相应的SCC,那么后逆序就是用DFS访问leader的顺序

并且,有一个引理

  • 对图G求逆得到的G^T和原图的SCC相同

所以只要利用DFS访问G^T,得到后逆序,然后再利用DFS按照后逆序访问图G,就可以使得G中被指向的SCC先访问,最终DFS访问得到的一个连通分量就是一个SCC

二. 方法概述

  1. 对原图取反,从任意一个顶点开始对反向图G^T进行DFS遍历,将访问结束的顶点加入finish\_stack
  2. 按照finish\_stack中顶点出栈顺序,对原图G进行DFS遍历,一次DFS遍历中访问的所有顶点都属于同一强连通分量。

三. 例子

找出图G中的强连通分量


G

第一步:求出G^T

GT.png

第二步:求出后逆序
由A开始并按照字母序进行DFS遍历,并求出finish\_stack
访问顺序为 A G B C H D I F E
得到的finish \_ stack为 C B D H F I G A E

第三步: 按照后逆序访问原图G
出栈顺序(后逆序)为 E A G I F H D B C
所以按照这个顺序对G进行DFS遍历, 访问的得到的结果是(一行为一次DFS遍历得到的连通图)
访问 E:{E}
访问 A:{A B G F I}
访问 H:{H}
访问 D:{D}
访问 C:{C}

所以得到五个连通图:{E}, {A B G F I}, {H}, {D}, {C}

四. 伪代码

  1. 获得finishstack后的原图遍历
图3.png
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