深度优先搜索和广度优先搜索、A星算法三种算法的区别和联系?

Posted 2023-05-06

参考技术A 1、何谓启发式搜索算法
在说它之前先提提状态空间搜索.状态空间搜索,如果按专业点的说法就是将问题求解过程表现为从初始状态到目标状态寻找这个路径的过程.通俗点说,就是 在解一个问题时,找到一条解题的过程可以从求解的开始到问题的结果（好象并不通俗哦）.由于求解问题的过程中分枝有很多,定性,不完备性造成的,使得求解的路径很多这就构成了一个图,我们说这个图就是状态空间.问题的求解实际上就是在这个图中找到一条路径可以从开始到结果.这个寻找的过程就是状态空间搜索.
常用的状态空间搜索有深度优先和广度优先.广度优先是从初始状态一层一层向下找,直到找到目标为止.深度优先是按照一定的顺序前查找完一个分支,再查找另一个分支,以至找到目标为止.这两种算法在数据结构书中都有描述,可以参看这些书得到更详细的解释.
前面说的广度和深度优先搜索有一个很大的缺陷就是他们都是在一个给定的状态空间中穷举.这在状态空间不大的情况下是很合适的算法,可是当状态空间十分大,且不预测的情况下就不可取了.他的效率实在太低,甚至不可完成.在这里就要用到启发式搜索了.
启发式搜索就是在状态空间中的搜索对每一个搜索的位置进行评估,得到最好的位置,再从这个位置进行搜索直到目标.这样可以省略大量无畏的搜索路径,提 到了效率.在启发式搜索中,对位置的估价是十分重要的.采用了不同的估价可以有不同的效果.我们先看看估价是如何表示的.
启发中的估价是用估价函数表示的,如：
f(n) = g(n) + h(n)
其中f(n) 是节点n的估价函数,g(n)实在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价,h(n)是从n到目标节点最佳路径的估计代价.在这里主要是h(n)体现了搜 索的启发信息,因为g(n)是已知的.如果说详细点,g(n)代表了搜索的广度的优先趋势.但是当h(n) >> g(n)时,可以省略g(n),而提高效率.这些就深了,不懂也不影响啦!我们继续看看何谓A*算法.
2、初识A*算法
启发式搜索其实有很多的算法,比如：局部择优搜索法、最好优先搜索法等等.当然A*也是.这些算法都使用了启发函数,但在具体的选取最佳搜索节点时的 策略不同.象局部择优搜索法,就是在搜索的过程中选取“最佳节点”后舍弃其他的兄弟节点,父亲节点,而一直得搜索下去.这种搜索的结果很明显,由于舍弃了 其他的节点,可能也把最好的节点都舍弃了,因为求解的最佳节点只是在该阶段的最佳并不一定是全局的最佳.最好优先就聪明多了,他在搜索时,便没有舍弃节点 （除非该节点是死节点）,在每一步的估价中都把当前的节点和以前的节点的估价值比较得到一个“最佳的节点”.这样可以有效的防止“最佳节点”的丢失.那么 A*算法又是一种什么样的算法呢?其实A*算法也是一种最好优先的算法.只不过要加上一些约束条件罢了.由于在一些问题求解时,我们希望能够求解出状态空 间搜索的最短路径,也就是用最快的方法求解问题,A*就是干这种事情的!我们先下个定义,如果一个估价函数可以找出最短的路径,我们称之为可采纳性.A* 算法是一个可采纳的最好优先算法.A*算法的估价函数可表示为：
f'(n) = g'(n) + h'(n)
这里,f'(n)是估价函数,g'(n)是起点到终点的最短路径值,h'(n)是n到目标的最断路经的启发值.由于这个f'(n)其实是无法预先知道 的,所以我们用前面的估价函数f(n)做近似.g(n)代替g'(n),但 g(n)>=g'(n)才可（大多数情况下都是满足的,可以不用考虑）,h(n)代替h'(n),但h(n)

基本算法——深度优先搜索（DFS）和广度优先搜索（BFS）

参考技术A         深度优先搜索和广度优先搜索，都是图形搜索算法，它两相似，又却不同，在应用上也被用到不同的地方。这里拿一起讨论，方便比较。

一、深度优先搜索

        深度优先搜索属于图算法的一种，是一个针对图和树的遍历算法，英文缩写为DFS即Depth First Search。深度优先搜索是图论中的经典算法，利用深度优先搜索算法可以产生目标图的相应拓扑排序表，利用拓扑排序表可以方便的解决很多相关的图论问题，如最大路径问题等等。一般用堆数据结构来辅助实现DFS算法。其过程简要来说是对每一个可能的分支路径深入到不能再深入为止，而且每个节点只能访问一次。

基本步奏

（1）对于下面的树而言，DFS方法首先从根节点1开始，其搜索节点顺序是1,2,3,4,5,6,7,8（假定左分枝和右分枝中优先选择左分枝）。

（2）从stack中访问栈顶的点；

（3）找出与此点邻接的且尚未遍历的点，进行标记，然后放入stack中，依次进行；

（4）如果此点没有尚未遍历的邻接点，则将此点从stack中弹出，再按照（3）依次进行；

（5）直到遍历完整个树，stack里的元素都将弹出，最后栈为空，DFS遍历完成。

二、广度优先搜索

        广度优先搜索（也称宽度优先搜索，缩写BFS，以下采用广度来描述）是连通图的一种遍历算法这一算法也是很多重要的图的算法的原型。Dijkstra单源最短路径算法和Prim最小生成树算法都采用了和宽度优先搜索类似的思想。其别名又叫BFS，属于一种盲目搜寻法，目的是系统地展开并检查图中的所有节点，以找寻结果。换句话说，它并不考虑结果的可能位置，彻底地搜索整张图，直到找到结果为止。基本过程，BFS是从根节点开始，沿着树(图)的宽度遍历树(图)的节点。如果所有节点均被访问，则算法中止。一般用队列数据结构来辅助实现BFS算法。

基本步奏

（1）给出一连通图，如图，初始化全是白色（未访问）；

（2）搜索起点V1（灰色）；

（3）已搜索V1（黑色），即将搜索V2，V3，V4（标灰）；

（4）对V2，V3，V4重复以上操作；

（5）直到终点V7被染灰，终止；

（6）最短路径为V1，V4，V7.