너비 우선 탐색(BFS)

polynomeer·2020년 3월 30일
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알고리즘

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너비 우선 탐색(BFS)

너비 우선 탐색(breadth-first search, BFS)는 시작점에서 가까운 정점부터 순서대로 방문하는 탐색 알고리즘이다. 가까운 정점을 모두 저장해놓고 순서대로 방문해야 하므로, 스택 구조로는 구현이 어렵다. 따라서 큐(Queue) 자료구조를 사용한다.

BFS의 동작은 큐를 이용해서 지금 위치에서 갈 수 있는 것을 모두 큐에 넣는 방식으로, 큐에 넣을 때 동시에 방문했다고 체크를 해야한다. (정확하게는 발견 여부를 체크한다.) DFS와는 달리 BFS에서는 발견과 방문이 동시에 이루어지지 않는다. 따라서 모든 정점은 다음과 같은 세 개의 상태를 순서대로 거쳐 가게 된다.

  • 아직 발견되지 않은 상태
  • 발견되었지만 아직 방문되지는 않은 상태 (이 상태의 정점들은 이미 큐에 저장됨)
  • 방문된 상태

1. BFS 동작원리

위 그림은 1번 정점부터 시작해서 숫자가 작은 정점부터 차례대로 방문하는 BFS의 동작방식을 보여준다. 방문(발견) 여부를 표시하기 위해 check배열을 두고, 큐에 인접한 정점을 Push하면서 하나씩 방문해나간다. 이 진행과정을 나열하면 다음과 같다.

  • 1번 정점을 큐에 넣고, check배열의 1번 값을 1로 바꾸고, 방문한다.
  • 1번 정점과 인접한 2, 5번 정점을 큐에 넣고, check배열의 2, 5번 값을 1로 바꾼다.
  • 2번 정점을 방문하고, 큐에서 1번 정점을 뺀다.
  • 2번 정점과 인접한 3번 정점을 큐에 넣고, check배열의 3번 값을 1로 바꾼다.
  • 5번 정점을 방문하고, 큐에서 2번 정점을 뺀다.
  • 5번 정점과 인접한 4번 정점을 큐에 넣고, check배열의 4번 값을 1로 바꾼다.
  • 3번 정점을 방문하고, 큐에서 5번 정점을 뺀다.
  • 4번 정점을 방문하고, 큐에서 3번 정점을 뺀다.
  • 4번 정점과 인접한 6번 정점을 큐에 넣고, check배열의 6번 값을 1로 바꾼다.
  • 6번 정점을 방문하고, 큐에서 4번 정점을 뺀다.
  • 6번 정점과 인접하면서 방문하지 않은 정점이 없으므로, 6번 정점을 큐에서 빼고 탐색을 종료한다.



2. BFS 구현

DFS는 스택을 사용하는 재귀함수의 특성을 이용하여 재귀로 구현이 가능했지만, BFS는 큐를 사용하여 구현해야 한다. C++과 JAVA에서는 queue 라이브러리를 사용하면 된다.

인접 행렬을 이용한 BFS 구현

queue<int> q;
check[1] = true; q.push(1);
while (!q.empty()) {
  int x = q.front(); q.pop();
  for (int i=1; i<=n; i++) {
    if (a[x][i] == 1 && check[i] == false) { // 연결여부와 방문여부를 확인
      check[i] = true;	// 방문했다고 표시(발견)
      q.push(i);	// 큐에 넣음
    }
  }
}

인접 리스트를 이용한 BFS 구현

queue<int> q;
check[1] = true; q.push(1);
while (!q.empty()) {
  int x = q.front(); q.pop();
  for (int i=0; i<a[x].size(); i++) {
    int y = a[x][i];
    if (check[y] == false) { // 방문여부만 확인
      check[y] = true; q.push(y); // 방문했다고 표시하고, 큐에 넣음
    }
  }
}

시간 복잡도

  • 인접 행렬 : O(V^2)
  • 인접 리스트 : O(V+E)



3. BFS를 활용한 문제풀이

  • BFS의 목적은 임의의 정점에서 시작해서, 모든 정점을 한번 씩 방문하는 것이다.
  • BFS는 최단거리를 구하는 알고리즘이다.
  • BFS는 모든 가중치가 1일때, 최단거리를 구하는 알고리즘이다.

• BFS를 이용해 해결할 수 있는 문제는 아래와 같은 조건을 만족 해야한다.
1) 최소 비용 문제이어야 한다
2) 간선의 가중치가 1 이어야 한다
3) 정점과 간선의 개수가 적어야 한다.(적다는 것은 문제의 조건에 맞춰서 해결할 수 있다는 것을 의미한다)
• 간선의 가중치가 문제에서 구하라고 하는 최소비용과 의미가 일치 해야한다.
• 즉,거리의 최소값을 구하는 문제라면 가중치는 거리를 의미해야 하고, 시간의 최소값을 구하는 문제라면 가중치는 시간을 의미해야 한다.

BOJ 1260. DFS와 BFS

그래프를 DFS로 탐색한 결과와 BFS로 탐색한 결과를 출력하는 프로그램을 작성하시오. 단, 방문할 수 있는 정점이 여러 개인 경우에는 정점 번호가 작은 것을 먼저 방문하고, 더 이상 방문할 수 있는 점이 없는 경우 종료한다. 정점 번호는 1번부터 N번까지이다.

인접 리스트 기반의 구현

#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <queue>
using namespace std;

vector<int> a[1001];	// 인접 리스트
bool check[1001];	// 방문 여부 저장

void dfs(int node) {
    ...
}
void bfs(int start) {
    queue<int> q;
    memset(check,false,sizeof(check)); // check배열 초기화
    check[start] = true;	// 방문표시 하고
    q.push(start);		// 큐에 넣음
    while (!q.empty()) {
        int node = q.front();	// 큐에서 하나씩 빼면서
        q.pop();
        printf("%d ",node);	// 방문하고
        for (int i=0; i<a[node].size(); i++) {
            int next = a[node][i];
            if (check[next] == false) {
                check[next] = true;	// 미리 방문표시하고
                q.push(next);		// 큐에 넣음
            }
        }
    }
}
int main() {
    int n, m, start;	// 정점의 개수, 간선의 개수, 탐색 시작점
    scanf("%d %d %d",&n,&m,&start);
    for (int i=0; i<m; i++) {
        int u,v;
        scanf("%d %d",&u,&v);
        a[u].push_back(v);	// 양방향 그래프이므로
        a[v].push_back(u);	// 양쪽에 연결
    }
    for (int i=1; i<=n; i++) {	// 각 인접 리스트 요소를 오름차순 정렬
        sort(a[i].begin(), a[i].end());
    }
    dfs(start); puts("");
    bfs(start); puts("");
    return 0;
}
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어려운 문제를 어렵지 않게.

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