Projeto e Análise de Algoritmos  
Aula 11 Busca em Profundidade e  
Busca em Largura  
Edirlei Soares de Lima  
<edirlei@iprj.uerj.br>  
Grafos (Revisão)  
G = (V, A)  
G: grafo;  
V: conjunto de vértices;  
A: conjunto de arestas;  
Grafos (Revisão)  
Grafos Direcionados  
Uma aresta (u, v) sai do  
vértice u e entra no vértice v.  
O vértice v é adjacente ao  
vértice u.  
Podem existir arestas de um  
vértice para ele mesmo,  
chamadas de self-loops.  
Grafos (Revisão)  
Grafos Não Direcionados  
As arestas (u, v) e (v, u) são  
consideradas como uma  
única aresta. A relação de  
adjacência é simétrica.  
Self-loops não são  
permitidos.  
Grafos (Revisão)  
Grau de um Vértice  
Em grafos não direcionados: é o número de arestas que  
incidem nele.  
Em grafos direcionados: é o número de arestas que saem  
dele (out-degree) mais o número de arestas que chegam  
nele (in-degree).  
Um vérice de grau zero é dito isolado ou não conectado.  
Grafos (Revisão)  
Caminho entre Vértices  
Um caminho de comprimento k de um vértice x a um  
vértice y em um grafo G = (V, A) é uma sequência de  
vértices (v0, v1, v2, ... , vk) tal que x = v0 e y = vk, e vi V para  
i = 1, 2, ... , k.  
O comprimento de um caminho é o número de arestas  
nele, isto é, o caminho contém os vértices v0, v1, v2, ... , vk e  
as arestas (v0, v1), (v1, v2), ... , (vk-1, vk).  
Se existir um caminho c de x a y então y é alcançável a  
partir de x via c.  
Grafos (Revisão)  
Ciclos  
Em um grafo direcionado: um caminho (v0, v1, ... , vk) forma  
um ciclo se v0 = vk e o caminho contém pelo menos uma  
aresta.  
O self-loop é um ciclo de tamanho 1.  
Em um grafo não direcionado: um caminho (v0, v1, ... , vk)  
forma um ciclo se v0 = vk e o caminho contém pelo menos  
três arestas.  
Grafos (Revisão)  
Componentes Conectados  
Um grafo não direcionado é conectado se cada par de  
vértices está conectado por um caminho.  
Os componentes conectados são as porções conectadas de  
um grafo.  
Um grafo não direcionado é conectado se ele tem  
exatamente um componente conectado.  
Grafos (Revisão)  
Componentes Fortemente Conectados  
Um grafo direcionado G = (V, A) é fortemente conectado se cada dois  
vértices quaisquer são alcançáveis a partir um do outro.  
Os componentes fortemente conectados de um grafo direcionado são  
conjuntos de vértices sob a relação “são mutuamente alcançáveis”.  
Um grafo direcionado fortemente conectado tem apenas um  
componente fortemente conectado.  
Grafos (Revisão)  
Outras Classificações de Grafos  
Um grafo ponderado possui pesos associados às arestas.  
Um grafo completo é um grafo não direcionado no qual  
todos os pares de vértices são adjacentes.  
Grafos (Revisão)  
Representação de Grafos  
Lista de Adjacências:  
Consiste em um vetor Adj com |V| listas de adjacências, uma para  
cada vértice v V.  
Para cada u V, Adj[u] contém ponteiros para todos os vértices v tal  
que (u, v)A. Ou seja, Adj[u] consiste de todos os vértices que são  
adjacentes a u.  
Grafos (Revisão)  
Representação de Grafos  
Matriz de Adjacências:  
Para um grafo G = (V, E), assumimos que os vértices são rotulados  
com números 1, 2, . . . , |V|.  
A representação consiste de uma matriz Aij de dimensões |V| × |V|,  
onde:  
1
0
ꢃꢄ ꢅ, ꢇ  
ꢂ  
= ቊ  
ꢈꢀꢃꢉ ꢈꢉꢊꢋꢌꢀꢌꢅꢉ  
Busca em Largura  
A busca em largura é um dos algoritmos mais simples para  
exploração de um grafo.  
Dados um grafo G = (V, E) e um vértice s, chamado de fonte, a busca  
em largura sistematicamente explora as arestas de G de maneira a  
visitar todos os vértices alcançáveis a partir de s.  
Expande a fronteira entre vértices descobertos e não  
descobertos uniformemente através da largura da fronteira.  
O algoritmo descobre todos os vértices a uma distância k do vértice  
origem antes de descobrir qualquer vértice a uma distância k + 1.  
O grafo pode ser direcionado ou não direcionado.  
Busca em Largura  
Algoritmo:  
Para controlar a busca, o algoritmo da Busca em Largura  
pinta cada vértice na cor branca, cinza ou preto.  
Todos os vértices iniciam com a cor branca e podem, mais  
tarde, se tornar cinza e depois preto.  
Branca: não visitado;  
Cinza: visitado;  
Preta: visitado e seus nós adjacentes visitados.  
Busca em Largura  
BuscaEmLargura(G, s)  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
d[u] ∞  
[u] ← NULL  
c[s] gray  
d[s] ← 0  
Q {s} //Queue  
while Q ∅  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] gray  
d[v] d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
c[u] black  
Busca em Largura  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
d[u] ← ∞  
[u] ← NULL  
c[s] ← gray  
d[s] ← 0  
Q ← {s} //Queue  
Busca em Largura  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] ← gray  
d[v] ← d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
c[u] ← black  
Busca em Largura  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] ← gray  
d[v] ← d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
c[u] ← black  
Busca em Largura  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] ← gray  
d[v] ← d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
c[u] ← black  
Busca em Largura  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] ← gray  
d[v] ← d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
c[u] ← black  
Busca em Largura Análise  
BuscaEmLargura(G, s)  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
d[u] ∞  
Cada vértice de V é colocado na fila Q  
no máximo uma vez: O(V);  
[u] ← NULL  
c[s] gray  
d[s] ← 0  
A lista de adjacência de um vértice  
qualquer de u é percorrida somente  
quando o vértice é removido da fila;  
Q {s} //Queue  
while Q ∅  
u head[Q]  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
c[v] gray  
d[v] d[u] + 1  
[v] ← u  
enqueue(Q,v)  
dequeue(Q)  
A soma de todas as listas de adjacentes  
é O(A), então o tempo total gasto com  
as listas de adjacentes é O(A);  
Enfileirar e desenfileirar tem custo O(1);  
Complexidade: O(V + A)  
c[u] black  
Busca em Largura  
A partir de π é possível reconstruir a árvore da busca em  
largura:  
Busca em Largura  
A partir de π é possível reconstruir a árvore da busca em  
largura:  
Busca em Profundidade  
A estratégia é buscar o vértice mais profundo no grafo sempre  
que possível:  
As arestas são exploradas a partir do vértice v mais recentemente  
descoberto que ainda possui arestas não exploradas saindo dele.  
Quando todas as arestas adjacentes a v tiverem sido  
exploradas a busca anda para trás para explorar vértices que  
saem do vértice do qual v foi descoberto (backtraking).  
O algoritmo é a base para muitos outros algoritmos  
importantes, tais como verificação de grafos acíclicos,  
ordenação topológica e componentes fortemente conectados.  
Busca em Profundidade  
Algoritmo:  
Para controlar a busca, o algoritmo da Busca em  
Profundidade pinta cada vértice na cor branca, cinza ou  
preto.  
Todos os vértices iniciam com a cor branca e podem, mais  
tarde, se tornar cinza e depois preto.  
Branca: não visitado;  
Cinza: visitado;  
Preta: visitado e seus nós adjacentes visitados.  
Busca em Profundidade  
Algoritmo:  
A busca em profundidade também marca cada vértice com  
um timestamp.  
Cada vértice tem dois timestamps:  
d[v]: indica o instante em que v foi visitado (pintado com cinza);  
f[v]: indica o instante em que a busca pelos vértices na lista de  
adjacência de v foi completada (pintado de preto).  
Busca em Profundidade  
BuscaEmProfundidade(G)  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
[u] ← NULL  
time 0  
for each u V[G]  
if c[u] = white  
visita(u)  
visita(u)  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
Busca em Profundidade  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
[u] ← NULL  
time ← 0  
for each u V[G]  
if c[u] = white  
visita(u)  
u
w
/
v
w
/
y
w
/
x
w
/
w
w
/
z
w
/
c
d
f
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
w
/
y
w
/
x
w
/
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
g
u
2
y
w
/
x
w
/
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
g
u
2
y
g
v
3
x
w
/
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
g
u
2
y
g
v
3
x
g
y
4
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
g
u
2
y
g
v
3
x
b
y
4
5
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
g
u
2
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
g
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
b
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
8
Busca em Profundidade  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
[u] ← NULL  
time ← 0  
for each u V[G]  
if c[u] = white  
visita(u)  
u
b
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
w
w
/
z
w
/
c
d
f
1
8
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
b
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
w
g
/
z
w
/
c
d
f
1
8
9
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
b
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
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w
g
/
z
g
c
d
f
w
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9
Busca em Profundidade  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
u
b
/
v
b
u
2
7
y
b
v
3
6
x
b
y
4
5
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b
z
b
c
d
f
/
w
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1
8
9
11  
Busca em Profundidade Análise  
BuscaEmProfundidade(G)  
for each u V[G]  
c[u] ← white  
[u] ← NULL  
O procedimento visitaé chamado  
exatamente uma vez ara cada vértice u  
V, isso porque visitaé chamado  
apenas para vértices brancos e a  
primeira ação é pintar o vértice de cinza:  
O(V);  
time 0  
for each u V[G]  
if c[u] = white  
visita(u)  
O loop principal de visita(u)tem  
complexidade O(A);  
visita(u)  
c[u] gray  
d[u] time ← time + 1  
for each v Adj[u]  
if c[v] = white  
[v] u  
Complexidade: O(V + A)  
visita(v)  
c[u] black  
f[u] time ← time + 1  
Busca em Profundidade  
Classificação de Arestas:  
Arestas de árvore: são arestas de uma árvore de busca em  
profundidade. A aresta (u, v) é uma aresta de árvore se v foi  
descoberto pela primeira vez ao percorrer a aresta (u, v);  
Arestas de retorno: conectam um vértice u com um antecessor v  
em uma árvore de busca em profundidade (inclui self-loops);  
Arestas de avanço: não pertencem à árvore de busca em  
profundidade mas conectam um vértice a um descendente que  
pertence à árvore de busca em profundidade;  
Arestas de cruzamento: podem conectar vértices na mesma  
árvore de busca em profundidade, ou em duas árvores diferentes.  
Busca em Profundidade  
Classificação de arestas pode ser útil  
para derivar outros algoritmos.  
Na busca em profundidade cada  
aresta pode ser classificada pela cor  
do vértice que é alcançado pela  
primeira vez:  
Branco indica uma aresta de árvore.  
Cinza indica uma aresta de retorno.  
Preto indica uma aresta de avanço  
quando u é descoberto antes de v ou uma  
aresta de cruzamento caso contrário.  
Exercícios  
Lista de Exercícios 12 Busca em Profundidade  
e Busca em Largura  
http://www.inf.puc-rio.br/~elima/paa/  
Leitura Complementar  
Halim e Halim. Competitive Programming, 3rd  
Edition, 2003.  
Capítulo 4: Graph  
Cormen, Leiserson, Rivest e Stein. Algoritmos –  
Teoria e Prática, 2ª. Edição, Editora Campus,  
2
002.  
Capítulo 22: Algoritmos Elementares de Grafos