Dense BFS

Dense BFS

inwooleeme 님이 알려준 밀집 그래프에서의 그래프 최단 거리를 구하는 방법. 관련 문제를 풀면서 확인해보자.

• Intercity 문제: https://www.acmicpc.net/problem/9264

아래 블로그 글도 많이 참고 되었다.

• 카레라이스가 먹고싶은 casterian 님 블로그: https://casterian.net/algo/dense-bfs.html

일반 순회

모든 간선의 길이가 동일하므로, queue를 써서 풀어보자. 초기에 시작 정점을 집어넣고, 연결된 edge를 순회하는 지극히 평범한 bfs 이다. 시간복잡도는 $O(V + E)$이고, 밀집 그래프에서는 $E = V(V-1)$이므로 $O(V^2)$에 가깝게 된다.

vector<bool> vis;
vis.resize(N, false);
queue<pair<int,int>> q; // 간선 길이가 같으므로 pq 쓰는거나 q 쓰는거나 똑같다.
q.push({0, 0}); // vertex, dist
ll ans1 = INF;
while(q.size()) {
    auto cur = q.front(); q.pop();
    if (cur.first == N - 1) {
        ans1 = (ll)cur.second * A;
        break;
    }
    vis[cur.first] = true;

    for(auto& nxt: e[cur.first]) {
        if (vis[nxt]) continue;
        q.push({nxt, cur.second + 1});
    }
}

밀집 순회

이 부분이 다루고자 하는 부분인데, 밀집 그래프의 경우 직관적으로 연결된 정점을 queue에 계속 넣는 것을 반복하게 될 경우에는 같은 정점이 반복해서 계속 들어가게 될 것이다. 만약 SPFA와 같은 알고리즘을 활용하고자 하더라도, 정점이 빠진 순간에 높은 확률로 다시 queue에 들어가게 되므로 수행시간은 줄어들더라도 전체적인 시간복잡도는 크게 줄어들기 어렵다. 따라서 아래와 같은 방식처럼 unvisited set을 하나 만들어두고, unvisited의 정점을 하나씩 빼면서 queue에 넣는 방식이 유효하다. 물론 dense 하다고 하더라도, 모든 정점이 연결되었다는 이야기는 아니므로, 이분 탐색을 활용해서 실제로 이어진 정점인지 확인해야 한다. 이분 탐색을 한 번 사용하는데에 $O(\log V)$의 시복도가 걸리고, $M$을 완전 그래프에서 빠진 간선의 수(dense graph에서는 작은 수일 것이다)로 정의하면 이 만큼 이분 탐색이 반복되므로 $O(M \log V)$의 시간이 걸린다.

그리고, 다른 관점에서 모든 정점이 unvisited로부터 한번씩 빠지게 되므로, $O(V \log V)$의 시복도가 걸린다. 이를 종합하면, 전체적인 시간복잡도는 $O((M + V) \log V)$이다. 일반적인 BFS 시복도인 $O(V + E) = O(V^2)$에 비해 많은 개선이 있다고 하겠다.

set<int> unvis;
FOR(i,1,N) unvis.insert(i);
q = {};
q.push({0, 0}); // vertex, dist
ll ans2 = INF;

while(q.size()) {
    auto cur = q.front(); q.pop();
    if (cur.first == N - 1) { // 여기까진 같음
        ans2 = (ll)cur.second * B;
        break;
    }
    // cur에 이어진 간선을 보는 대신에, unvis 중에서 하나를 본다. (dense 하므로 대부분의 경우 경로가 있다)
    for(auto it = unvis.begin(); it != unvis.end(); ) {
        int nxt = *it;
        if (e[cur.first].find(nxt) == e[cur.first].end()) {
            // 아직 방문 안한 정점이다.
            q.push({nxt, cur.second + 1});
            it = unvis.erase(it);
        } else {
            ++it;
        }
    }
}

Time Complexity

• $O((M + V) \log V)$
  • $M$은 완전 그래프($E = V(V-1)$)에서 빠진 간선의 수이다.