本文目录导读:

我将为您展示如何使用Scikit-learn来实现图着色问题,图着色是一种将颜色分配给图节点的问题,要求相邻节点具有不同颜色。
方法1:使用贪心算法实现图着色
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from collections import defaultdict
def greedy_graph_coloring(edges, num_nodes):
"""
使用贪心算法进行图着色
"""
# 创建邻接表
graph = defaultdict(list)
for u, v in edges:
graph[u].append(v)
graph[v].append(u)
# 初始化颜色分配
color_assignment = {}
# 按度数降序访问节点
nodes = sorted(range(num_nodes), key=lambda x: len(graph[x]), reverse=True)
for node in nodes:
# 找到邻居使用的颜色
neighbor_colors = set()
for neighbor in graph[node]:
if neighbor in color_assignment:
neighbor_colors.add(color_assignment[neighbor])
# 选择最小的未使用颜色
color = 0
while color in neighbor_colors:
color += 1
color_assignment[node] = color
return color_assignment
def visualize_coloring(edges, num_nodes, colors):
"""
可视化图着色结果
"""
# 创建图
G = nx.Graph()
G.add_nodes_from(range(num_nodes))
G.add_edges_from(edges)
# 获取颜色列表
color_list = [colors[node] for node in range(num_nodes)]
# 绘制图
pos = nx.spring_layout(G, seed=42)
nx.draw(G, pos,
node_color=color_list,
with_labels=True,
cmap=plt.cm.rainbow,
node_size=500)
plt.title(f"图着色结果 - 使用了 {len(set(color_list))} 种颜色")
plt.show()
# 示例:创建一个简单图
def create_sample_graph():
"""创建示例图"""
edges = [
(0, 1), (0, 2), (0, 3),
(1, 2), (1, 4),
(2, 3), (2, 4),
(3, 4),
(5, 6), (6, 7), (7, 5)
]
num_nodes = 8
return edges, num_nodes
# 运行示例
if __name__ == "__main__":
edges, num_nodes = create_sample_graph()
colors = greedy_graph_coloring(edges, num_nodes)
print("图着色结果:")
for node, color in sorted(colors.items()):
print(f"节点 {node} -> 颜色 {color}")
print(f"\n总共使用了 {len(set(colors.values()))} 种颜色")
visualize_coloring(edges, num_nodes, colors)
方法2:使用DSATUR算法(更优化的着色)
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
from collections import defaultdict
class DSATURColoring:
"""
DSATUR (Degree of Saturation) 算法的图着色实现
"""
def __init__(self, edges, num_nodes):
self.graph = defaultdict(list)
for u, v in edges:
self.graph[u].append(v)
self.graph[v].append(u)
self.num_nodes = num_nodes
self.colors = {}
self.saturation = defaultdict(int) # 饱和度:已使用的不同颜色数
self.available_colors = defaultdict(set)
def get_saturation(self, node):
"""获取节点的饱和度"""
return len(set(self.colors.get(n, -1) for n in self.graph[node]
if n in self.colors))
def get_degree(self, node):
"""获取节点的度数"""
return len(self.graph[node])
def color_graph(self):
"""执行DSATUR着色"""
# 初始化所有节点为未着色
uncolored = set(range(self.num_nodes))
while uncolored:
# 选择饱和度最高的节点(如果平局,选择度数高的)
node = max(uncolored, key=lambda x: (self.get_saturation(x),
self.get_degree(x)))
# 找到邻居使用的颜色
neighbor_colors = set()
for neighbor in self.graph[node]:
if neighbor in self.colors:
neighbor_colors.add(self.colors[neighbor])
# 选择最小的可用颜色
color = 0
while color in neighbor_colors:
color += 1
self.colors[node] = color
# 更新饱和度
for neighbor in self.graph[node]:
if neighbor not in self.colors:
new_saturation = len(set(self.colors.get(n, -1)
for n in self.graph[neighbor]
if n in self.colors))
self.saturation[neighbor] = new_saturation
uncolored.remove(node)
return self.colors
# 测试DSATUR算法
def test_dsatur():
"""测试DSATUR算法"""
# 创建一个更复杂的地图着色问题
edges = [
(0, 1), (0, 2),
(1, 2), (1, 3), (1, 4),
(2, 3), (2, 5),
(3, 4), (3, 5), (3, 6),
(4, 6),
(5, 6),
(7, 8), (8, 9), (9, 7), # 另一个组件
(7, 10), (8, 10)
]
num_nodes = 11
# 执行着色
dsatur = DSATURColoring(edges, num_nodes)
colors = dsatur.color_graph()
print("DSATUR算法着色结果:")
for node, color in sorted(colors.items()):
print(f"节点 {node} -> 颜色 {color}")
print(f"\n总共使用了 {len(set(colors.values()))} 种颜色")
# 可视化
G = nx.Graph()
G.add_nodes_from(range(num_nodes))
G.add_edges_from(edges)
plt.figure(figsize=(10, 8))
pos = nx.spring_layout(G, seed=42)
color_list = [colors[node] for node in range(num_nodes)]
nx.draw(G, pos,
node_color=color_list,
with_labels=True,
cmap=plt.cm.Set3,
node_size=500,
font_weight='bold')
plt.title("DSATUR算法图着色结果")
plt.show()
# 验证着色是否正确
verify_coloring(edges, colors)
def verify_coloring(edges, colors):
"""验证着色是否正确(相邻节点颜色不同)"""
correct = True
for u, v in edges:
if colors[u] == colors[v]:
print(f"错误:节点 {u} 和 {v} 颜色相同!")
correct = False
if correct:
print("✓ 着色验证通过:所有相邻节点颜色都不同")
else:
print("✗ 着色验证失败")
if __name__ == "__main__":
test_dsatur()
方法3:使用Scikit-learn进行聚类辅助着色
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import SpectralClustering
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
import numpy as np
class SKLearnGraphColoring:
"""
使用Scikit-learn进行基于聚类的图着色
"""
def __init__(self, n_colors=3):
self.n_colors = n_colors
self.spectral = SpectralClustering(n_clusters=n_colors,
affinity='precomputed')
def adjacency_to_similarity(self, edges, num_nodes):
"""将邻接矩阵转换为相似度矩阵"""
similarity = np.eye(num_nodes) # 对角线为1
for u, v in edges:
similarity[u][v] = 1
similarity[v][u] = 1
return similarity
def color_graph(self, edges, num_nodes):
"""使用谱聚类进行着色"""
similarity = self.adjacency_to_similarity(edges, num_nodes)
# 执行谱聚类
labels = self.spectral.fit_predict(similarity)
# 调整颜色分配,确保相邻节点颜色不同
colors = {}
for i in range(num_nodes):
colors[i] = labels[i]
# 检测相邻节点的颜色冲突并解决
colors = self.resolve_conflicts(edges, colors)
return colors
def resolve_conflicts(self, edges, colors):
"""解决相邻节点的颜色冲突"""
max_attempts = 100
attempt = 0
resolved = False
while not resolved and attempt < max_attempts:
resolved = True
for u, v in edges:
if colors[u] == colors[v]:
# 找到新的颜色
available_colors = set(range(self.n_colors))
for neighbor in self.get_neighbors(edges, u):
if neighbor in colors:
available_colors.discard(colors[neighbor])
if available_colors:
colors[u] = min(available_colors)
else:
# 扩展颜色
colors[u] = max(colors.values()) + 1
resolved = False
attempt += 1
return colors
def get_neighbors(self, edges, node):
"""获取节点的邻居"""
neighbors = []
for u, v in edges:
if u == node:
neighbors.append(v)
elif v == node:
neighbors.append(u)
return neighbors
# 测试Scikit-learn方法
def test_sklearn_coloring():
"""测试基于Scikit-learn的图着色"""
edges = [
(0, 1), (0, 2), (0, 3),
(1, 2), (1, 4),
(2, 3), (2, 4),
(3, 4),
(5, 6), (6, 7), (7, 5)
]
num_nodes = 8
# 尝试不同的颜色数量
for n_colors in [3, 4, 5]:
print(f"\n尝试使用 {n_colors} 种颜色:")
coloring = SKLearnGraphColoring(n_colors=n_colors)
colors = coloring.color_graph(edges, num_nodes)
# 验证
valid = True
for u, v in edges:
if colors[u] == colors[v]:
valid = False
break
if valid:
print(f"✓ 成功使用 {n_colors} 种颜色完成着色")
print(f"颜色分配: {colors}")
# 可视化
G = nx.Graph()
G.add_nodes_from(range(num_nodes))
G.add_edges_from(edges)
plt.figure(figsize=(8, 6))
pos = nx.spring_layout(G, seed=42)
color_list = [colors[node] for node in range(num_nodes)]
nx.draw(G, pos,
node_color=color_list,
with_labels=True,
cmap=plt.cm.Set2,
node_size=500)
plt.title(f"Scikit-learn谱聚类着色 ({n_colors}种颜色)")
plt.show()
break
else:
print(f"✗ 使用 {n_colors} 种颜色不够")
if __name__ == "__main__":
test_sklearn_coloring()
实际应用示例:地图着色
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
def create_map_coloring_problem():
"""创建地图着色问题(美国西部各州相邻关系)"""
states = {
'WA': ['OR', 'ID'],
'OR': ['WA', 'ID', 'CA', 'NV'],
'CA': ['OR', 'NV', 'AZ'],
'ID': ['WA', 'OR', 'MT', 'WY', 'UT', 'NV'],
'NV': ['OR', 'CA', 'ID', 'UT', 'AZ'],
'UT': ['ID', 'NV', 'AZ', 'CO', 'WY'],
'AZ': ['CA', 'NV', 'UT', 'NM'],
'MT': ['ID', 'WY', 'SD', 'ND'],
'WY': ['MT', 'ID', 'UT', 'CO', 'SD', 'NE'],
'CO': ['WY', 'UT', 'AZ', 'NM', 'OK', 'KS', 'NE'],
'NM': ['AZ', 'CO', 'OK', 'TX'],
'ND': ['MT', 'SD', 'MN'],
'SD': ['ND', 'MT', 'WY', 'NE', 'MN', 'IA'],
'NE': ['SD', 'WY', 'CO', 'KS', 'IA', 'MO'],
'KS': ['NE', 'CO', 'OK', 'MO'],
'OK': ['KS', 'CO', 'NM', 'TX', 'AR', 'MO'],
'TX': ['NM', 'OK', 'AR', 'LA'],
'MN': ['ND', 'SD', 'IA', 'WI'],
'IA': ['MN', 'SD', 'NE', 'MO', 'WI', 'IL'],
'MO': ['IA', 'NE', 'KS', 'OK', 'AR', 'TN', 'KY', 'IL'],
'AR': ['MO', 'OK', 'TX', 'LA', 'MS', 'TN'],
'LA': ['TX', 'AR', 'MS'],
'WI': ['MN', 'IA', 'IL', 'MI'],
'IL': ['WI', 'IA', 'MO', 'KY', 'IN'],
'MI': ['WI', 'IN', 'OH'],
}
return states
def solve_map_coloring():
"""解决地图着色问题"""
states = create_map_coloring_problem()
# 创建图
G = nx.Graph(states)
# 使用贪心算法着色
coloring = nx.greedy_color(G, strategy='largest_first')
print("地图着色结果:")
for state, color in sorted(coloring.items()):
print(f"{state} -> 颜色 {color}")
print(f"\n总共使用了 {len(set(coloring.values()))} 种颜色")
# 可视化
plt.figure(figsize=(12, 8))
pos = nx.spring_layout(G, k=0.5, iterations=50)
# 颜色映射
cmap = plt.cm.Set3
colors = [coloring[state] for state in G.nodes()]
color_list = [cmap(c/len(set(colors))) for c in colors]
nx.draw(G, pos,
node_color=color_list,
node_size=2000,
with_labels=True,
font_size=10,
font_weight='bold')
plt.title("美国西部地图着色问题")
plt.show()
if __name__ == "__main__":
solve_map_coloring()
这些代码展示了三种不同的图着色方法:
- 贪心算法 - 简单高效,但可能不是最优解
- DSATUR算法 - 更优化的着色,通常能得到更好的结果
- Scikit-learn方法 - 利用机器学习中的谱聚类进行着色
每种方法都包含可视化功能,可以帮助理解图着色的结果,实际应用中,可以根据图的规模和复杂度选择合适的方法。
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