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2025-08-30 18:35:01 +08:00

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拓扑排序专题

拓扑排序指的是有向无环图($DAG$);

学过计算机网络的知道计算机网络中有一个拓扑结构;

下面就是一个拓扑结构;

那拓扑序就是,图中任意一对顶点$u$和$v$,若边$<u,v>∈E(G)$,则$u$在线性序列中出现在$v$之前

我们可以发现 拓扑序不是唯一的;

接下来,我们需要知道一个概念——度:

对于有向图的某个结点来说,我们把指向它的边的数量叫做入度;

把从它发出的边的数量称为出度,这个都很好理解吧;

例如,下面这个图:

它是一个 $DAG$ 图,那么如何写出它的拓扑排序呢?这里说一种比较常用的方法:
  1. 从 DAG 图中选择一个没有前驱(即入度为$0$)的顶点并输出。

  2. 从图中删除该顶点和所有以它为起点的有向边。

  3. 重复 1 和 2 直到当前的 DAG 图为空或 当前图中不存在无前驱的顶点为止。

于是,得到拓扑排序后的结果是{ 1,2,4,3,5 }。

通常,一个有向无环图可以有一个或多个拓扑排序序列。这是因为可能同时存在多个入度为$0$的结点,这时,先处理哪个都是可以的。

如何获得一个拓扑序:

我们先来找一个 最容易理解的例子,那就是食物链,对一个自然界的食物链来说,一定存在拓扑序;

第一:不存在环

第二:有向

接下来我们来看看如何获得一个拓扑序,我们观察最左面的结点,一定是没有指向它的边,也就是入度为零,最右边的结点呢,是一定不存在它指向别人的边的,如果有,那么它就不是最右边的点也就是出度为零;

那就是说,所有入度为零的点都可以作为起点,我们开一个数组记录入度的值;

至于如何使用邻接表存边,这就不展开解释了,可以参考这个:传送门

其实,拓扑排序也是$bfs$的一个简单应用,我们需要 借助队列 来实现;

首先,我们遍历存储入度的数组,获得可以作为起点的结点,将其加入队列;

接下来就可以愉快的遍历了,没当我们遍历到一个点的时候,我们让它的入度--;

这样做的 意义 就是,判断指向这个点的边是不是都遍历过了,因为我们要保证拓扑序最重要的一个特点:$<u,v>$的边中,$u$一定在$v$的前面出现;

如果这个点所有的边都遍历过的话,是不是也就是说这个点已经没有指向它的边了,也就是说这个点可以作为一个起点了,那我们将它加入队列;循环这个操作,知道队列为空;

按最小的字典序输出拓扑排序

  一个图的拓扑排序往往不只有一种,所以有时题目 要求输出字典序最小的拓扑排序,这时我们只需要把$bfs$中的队列 换成优先队列 就好,同时入度为$0$的点字典序小的先出队。

题单

AcWing 848. 有向图的拓扑序列 【判断是不是拓扑图的方法,输出任意一个拓扑序列】

AcWing 1191. 家谱树 【输出任意一个拓扑序列】

P4017 最大食物链计数 - 洛谷 【拓扑序、递推、记录入度的同时记录出度,方便找到终点、数字三角形模型】

P1137 旅行计划 【拓扑序、递推、记录入度的同时记录出度,方便找到终点、数字三角形模型】

AcWing 1192. 奖金 【拓扑序,给初始值,按拓扑序求最长路,得最小值】

AcWing 164. 可达性统计 【拓扑序,逆拓扑序倒推,$bitset$状态压缩,或运算求和】

AcWing 456. 车站分级 【拓扑序,笛卡尔积条边使用中间点降维建图技巧、最长路、最小值】