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210-CourseScheduleII.md

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课程表 II

现在你总共有 numCourses 门课需要选,记为 0 到 numCourses - 1。给你一个数组 prerequisites ,其中 prerequisites[i] = [ai, bi] ,表示在选修课程 ai 前 必须 先选修 bi 。

例如,想要学习课程 0 ,你需要先完成课程 1 ,我们用一个匹配来表示:[0,1] 。 返回你为了学完所有课程所安排的学习顺序。可能会有多个正确的顺序,你只要返回 任意一种 就可以了。如果不可能完成所有课程,返回 一个空数组 。

示例 1:

输入:numCourses = 2, prerequisites = [[1,0]]
输出:[0,1]
解释:总共有 2 门课程。要学习课程 1,你需要先完成课程 0。因此,正确的课程顺序为 [0,1] 

示例 2:

输入:numCourses = 4, prerequisites = [[1,0],[2,0],[3,1],[3,2]]
输出:[0,2,1,3]
解释:总共有 4 门课程。要学习课程 3,你应该先完成课程 1 和课程 2。并且课程 1 和课程 2 都应该排在课程 0 之后。
因此,一个正确的课程顺序是 [0,1,2,3] 。另一个正确的排序是 [0,2,1,3] 

示例 3:

输入:numCourses = 1, prerequisites = []
输出:[0]

提示:

  • 1 <= numCourses <= 2000
  • 0 <= prerequisites.length <= numCourses * (numCourses - 1)
  • prerequisites[i].length == 2
  • 0 <= ai, bi < numCourses
  • ai != bi
  • 所有[ai, bi] 互不相同

思路:

  1. 构建图:首先,使用邻接表(hash)来表示图,其中键是课程,值是以其为先修课的课程列表。同时,使用数组(indeg)来记录每个课程的入度,即需要先修的课程数量。
  2. 初始化队列:然后,找出所有入度为 0 的课程,即没有先修课或所有先修课都已学习的课程,将它们加入队列中。
  3. 拓扑排序:接下来,使用一个循环进行拓扑排序。在每次迭代中,从队列中取出一个课程,并将其后续课程的入度减 1。如果某个后续课程的入度变为 0,则将其加入队列中。
  4. 检查结果:最后,如果选出的课程数量等于总课程数,说明所有课程都可以按顺序完成,返回学习顺序数组;否则,存在课程无法完成,返回空数组。

时间复杂度:O(V+E),其中 V 是课程的数量,E 是先修课程对的数量。这是因为每个课程和每条边在算法中都被遍历了一次。 空间复杂度:O(V+E),用于存储邻接表和入度数组。

// 拓扑运算 - 广度优先遍历
// 时间: O(m+2n)
// 空间: O(m+2n)
// n 为课程数(numCourses),m 为先修课程的要求数(prerequisites.length)
function findOrder(numCourses, prerequisites) {
  // 保存key课程为先修课的所有课程
  const hash = new Map();
  // 保存下标index课程,有多少先修课程
  const indeg = new Array(numCourses).fill(0);
  for (const [a, b] of prerequisites) {
    // a课程的先修课程是b

    // 1. a课程的先修课程+1
    indeg[a]++;
    // 2. 以b课程为先修课程的数组push(a)
    if (hash.has(b)) {
      hash.get(b)?.push(a);
    } else {
      hash.set(b, [a]);
    }
  }

  // 一个保存可以学习,并且等待学习的课程的队列(没有先修课程或者先修课程已经学习了,这个课程就是可以学习的课程)
  const queue = [];
  const ans = [];

  for (let i = 0; i < numCourses; i++) {
    // 首先把没有先修课程的课程加入可学习课程队列中
    if (indeg[i] === 0) {
      queue.push(i);
    }
  }

  while (queue.length) {
    // 不断的将队列顶部课程shift出
    // 再根据顶部课程,将只以该课程为先修课程的课程push进队列(因为这部分课程也是可以学习的课程了)
    const b = queue.shift();
    // b已经学习了,加入答案
    ans.push(b);
    // 将b作为先修课程的课程的先修课程数量减1
    // 并且把减完之后先修课程为0的课程push进队列
    if (hash.has(b)) {
      for (const a of hash.get(b)) {
        // a就是先修课程包含b的所有课程
        // 将a的先修课程数量减1
        indeg[a]--;
        if (indeg[a] === 0) {
          // 如果a课程的先修课程为0,表示a的先修课程都已经学习了,那么a也可以学习了
          // 加入待学习队列中
          queue.push(a);
        }
      }
    }
  }

  // 如果ans.length等于所有课程的数量,那么表示所有课程都可以被学习到
  // 否则,表示存在环,无法学习到所有的课程
  return ans.length === numCourses ? ans : [];
}