【经典LeetCode算法题目专栏分类】【第4期】BFS广度优先算法:单词接龙、最小基因变化、二进制矩阵中的最短路径

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一般涉及到最小层数问题,要想到BFS。只要找到第一个符合条件的就是最小层数。

单词接龙

# 单向BFS

class Solution:

    def ladderLength(self, beginWord: str, endWord: str, wordList: List[str]) -> int:

        queue = [(beginWord, 1)]

        word_list = [ chr(ord('a') + i) for i in range(27)]

        wordList = set(wordList)

        n = len(beginWord)

        while queue:

            word, step = queue.pop(0)

            if word == endWord:

                return step

            for i in range(n):

                for c in word_list:

                    tmp = word[:i] + c + word[i+1:]

                    if tmp in wordList:

                        wordList.remove(tmp)

                        queue.append((tmp, step + 1))

        return 0

# 双向BFS

class Solution:

    def ladderLength(self, beginWord: str, endWord: str, wordList: List[str]) -> int:

        # 双向BFS

        word_set = set(wordList)

        if len(word_set) == 0 or endWord not in word_set:

            return 0

        if beginWord in word_set:

            word_set.remove(beginWord)

        visited = set()

        visited.add(beginWord)

        visited.add(endWord)

        begin_visited = set()

        begin_visited.add(beginWord)

        end_visited = set()

        end_visited.add(endWord)

        word_len = len(beginWord)

        step = 1

        # 简化成 while begin_visited 亦可

        while begin_visited and end_visited:

            if len(begin_visited) > len(end_visited):

                begin_visited, end_visited = end_visited, begin_visited

            next_level_visited = set()

            for word in begin_visited:

                word_list = list(word)

                for j in range(word_len):

                    origin_char = word_list[j]

                    for k in range(26):

                        word_list[j] = chr(ord('a') + k)

                        next_word = ''.join(word_list)

                        if next_word in word_set:

                            if next_word in end_visited:

                                return step + 1

                            if next_word not in visited:

                                next_level_visited.add(next_word)

                                visited.add(next_word)

                    word_list[j] = origin_char

            begin_visited = next_level_visited

            step += 1

        return 0

单词接龙2

单向遍历

class Solution:

    def findLadders(self, beginWord: str, endWord: str, wordList: List[str]) -> List[List[str]]:

        tree, words, n = collections.defaultdict(set), set(wordList), len(beginWord) 

        if endWord not in wordList: return []

        # found为是否找到最短路径的标识默认False

        # q存储当前层的单词, nq存储下一层的单词

        # tree[x]会记录单词x所有相邻节点的单词,即可能到达最终结果的路径

        found, q, nq = False, { beginWord}, set()

        while q and not found: # 当找到路径或者队列中没有元素时结束

            words -= set(q) # 从words列表中去除当前层的单词,避免重复使用

            for x in q: # 遍历当前层的所有单词

                for y in [x[:i]+c+x[i+1:] for i in range(n) for c in 'qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm']: # 改变当前单词的每一个字符

                    if y in words: # 只关心在words集合中的单词

                        if y == endWord: # 如果找到了,将found置为True,不会再继续寻找下一层.

                            found = True

                        else: 

                            nq.add(y) # 准备下一层的单词集合

                        tree[x].add(y) # 记录x单词满足条件的下一个路径

            q, nq = nq, set() # 重新复制q与nq, q为下一次循环需遍历的单词集合,nq置为空

        def bt(x): 

            # 递归,在tree中寻找满足条件的路径

            # for y in tree[x] 遍历当前单词的相邻节点

            return [[x]] if x == endWord else [[x] + rest for y in tree[x] for rest in bt(y)]

        if found == False:

            return []

        return bt(beginWord)

# 双向遍历

class Solution:

    def findLadders(self, beginWord: str, endWord: str, wordList: List[str]) -> List[List[str]]:

        # 双向BFS

        tree, words, n = collections.defaultdict(set), set(wordList), len(beginWord)

        if endWord not in wordList: return []

        found, bq, eq, nq, rev = False, { beginWord}, { endWord}, set(), False

        while bq and not found:

            words -= set(bq)

            for x in bq:

                for y in [x[:i]+c+x[i+1:] for i in range(n) for c in 'qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm']:

                    if y in words:

                        if y in eq: 

                            found = True

                        else: 

                            nq.add(y)

                        tree[y].add(x) if rev else tree[x].add(y)

            bq, nq = nq, set()

            if len(bq) > len(eq): 

                bq, eq, rev = eq, bq, not rev

        def bt(x): 

            return [[x]] if x == endWord else [[x] + rest for y in tree[x] for rest in bt(y)]

        return bt(beginWord)

最小基因变化

class Solution:

    def minMutation(self, start: str, end: str, bank: List[str]) -> int:

        #BFS

        possible_dict = {

                        "A": "CGT",

                        "C": "AGT",

                        "G": "ACT",

                        "T": "ACG"

                    }

        queue=[(start,0)]

        while queue:

            # 广度优先遍历模板

            (word, step)=queue.pop(0)

            if word ==end:

                return step

            

            for i, c  in enumerate(word):

                for p in possible_dict[c]:

                    # 从第0个位置开始匹配新的字符串

                    temp=word[:i]+p+word[i+1:]

                    # 在bank里面就处理(set中in操作复杂度是0(1))

                    if temp in bank: 

                        # 从bank里移除,避免重复计数

                        bank.remove(temp)  

                        # 加入队列,步数加1

                        queue.append((temp,step+1)) 

        return -1

二进制矩阵中的最短路径

class Solution:

    def shortestPathBinaryMatrix(self, grid: List[List[int]]) -> int:

        # BFS

        n = len(grid)

        if grid[n-1][n-1] == 1 or grid[0][0] == 1:

            return -1

        queue = [(0,0)]

        length = 1

        visited = set()

        visited.add((0,0))

        while queue:

            cur_nums = len(queue)

            for i in range(cur_nums):

                i,j = queue.pop(0)

                if i == n-1 and j == n-1:

                    return length

                for ni,nj in [(i-1,j-1),(i-1,j),(i-1,j+1),(i,j-1),(i,j+1),(i+1,j-1),(i+1,j),(i+1,j+1)]:

                    if 0<= ni < n and 0<= nj < n and (ni,nj) not in visited and grid[ni][nj] == 0:

                        visited.add((ni,nj))

                        queue.append((ni,nj))

            length += 1

        return -1

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