0Pricing
DSA Interview Prep · บทเรียน

BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ

ใช้ BFS ค้นหาเส้นทางสั้นที่สุดในกราฟที่ไม่มีน้ำหนัก แก้โจทย์บันไดคำทีละระดับ และโคลนกราฟด้วยแผนผังแฮช

BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ เป็นบทเรียน DSA Interview Prep ฟรีบน CoddyKit นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน คุณสามารถอ่านบทเรียนทั้งหมดด้านล่างฟรี — จากนั้นลองปฏิบัติด้วยตัวคุณเองในเบราว์เซอร์พร้อมตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 บทเรียนนี้เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางการเรียน DSA Interview Prep และความก้าวหน้าของคุณจะซิงค์ข้ามเว็บและแอป CoddyKit คอร์ส DSA Interview Prep มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน

BFS และเส้นทางสั้นที่สุดในกราฟที่ไม่มีน้ำหนัก

BFS หาเส้นทางสั้นที่สุด (มีเส้นเชื่อมน้อยที่สุด) ในกราฟที่ไม่มีน้ำหนักได้ เนื่องจาก BFS สำรวจโหนดตามลำดับระยะทางจากต้นทางที่เพิ่มขึ้น ครั้งแรกที่ BFS ไปถึงโหนดใด โหนดนั้นจะถูกเข้าถึงผ่านเส้นทางที่สั้นที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ คุณสมบัตินี้ไม่เป็นจริงสำหรับ DFS สำหรับกราฟถ่วงน้ำหนักที่มีน้ำหนักไม่ติดลบ ให้ใช้อัลกอริทึมของไดค์สตราแทน เนื่องจาก BFS ถือโดยปริยายว่าเส้นเชื่อมทุกเส้นมีน้ำหนักเป็น 1

from collections import deque, defaultdict

def shortest_path(graph, start, end):
    if start == end:
        return 0
    visited = {start}
    queue = deque([(start, 0)])  # (node, distance)
    while queue:
        node, dist = queue.popleft()
        for neighbour in graph[node]:
            if neighbour == end:
                return dist + 1
            if neighbour not in visited:
                visited.add(neighbour)
                queue.append((neighbour, dist + 1))
    return -1  # no path found

graph = defaultdict(list)
for u, v in [(0,1),(1,2),(2,3),(0,3),(1,4)]:
    graph[u].append(v); graph[v].append(u)
print(shortest_path(graph, 0, 3))  # 1 (direct edge)
print(shortest_path(graph, 0, 4))  # 2 (0->1->4)

การติดตามเส้นทางสั้นที่สุดจริง

หากต้องการสร้างเส้นทางจริงกลับคืนมา (ไม่ใช่เพียงความยาวของเส้นทาง) ให้เก็บพจนานุกรมโหนดก่อนหน้าที่บันทึกว่าแต่ละโหนดถูกเข้าถึงมาอย่างไร เมื่อไปถึงปลายทางแล้ว ให้ย้อนตามแผนที่โหนดก่อนหน้าจากปลายทางกลับไปยังต้นทาง แล้วกลับลำดับผลลัพธ์ วิธีนี้ใช้หน่วยความจำ O(V) เพิ่มเติมสำหรับแผนที่โหนดก่อนหน้า แต่ให้เส้นทางทั้งหมดได้ในเวลา O(ความยาวเส้นทาง) หลังจาก BFS ทำงานเสร็จ

from collections import deque, defaultdict

def shortest_path_with_route(graph, start, end):
    parent = {start: None}
    queue = deque([start])
    while queue:
        node = queue.popleft()
        if node == end:
            break
        for nb in graph[node]:
            if nb not in parent:
                parent[nb] = node
                queue.append(nb)
    if end not in parent:
        return []  # no path
    # Reconstruct path by tracing back
    path = []
    node = end
    while node is not None:
        path.append(node)
        node = parent[node]
    return path[::-1]  # reverse

graph = defaultdict(list)
for u, v in [(0,1),(1,2),(2,3),(0,4),(4,3)]:
    graph[u].append(v); graph[v].append(u)
print(shortest_path_with_route(graph, 0, 3))  # [0, 4, 3] or [0, 1, 2, 3]

บันไดคำศัพท์: BFS บนกราฟโดยนัย

บันไดคำศัพท์ (LeetCode #127) ถามหาจำนวนการเปลี่ยนอักขระทีละหนึ่งครั้งที่น้อยที่สุด เพื่อแปลงคำเริ่มต้นเป็นคำปลายทาง โดยคำระหว่างทางทุกคำต้องอยู่ในพจนานุกรม นี่คือการใช้ BFS บนกราฟโดยนัย ซึ่งมีคำเป็นโหนด และมีเส้นเชื่อมระหว่างคำที่แตกต่างกันเพียงหนึ่งตัวอักษร ให้สร้างคำที่เปลี่ยนตัวอักษรทีละหนึ่งตำแหน่งทั้งหมด แล้วตรวจสอบว่าคำเหล่านั้นอยู่ในเซตคำศัพท์หรือไม่ BFS รับประกันลำดับการแปลงที่สั้นที่สุด

from collections import deque

def word_ladder(begin_word, end_word, word_list):
    word_set = set(word_list)
    if end_word not in word_set:
        return 0
    queue = deque([(begin_word, 1)])
    visited = {begin_word}
    while queue:
        word, steps = queue.popleft()
        for i in range(len(word)):
            for c in 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz':
                new_word = word[:i] + c + word[i+1:]
                if new_word == end_word:
                    return steps + 1
                if new_word in word_set and new_word not in visited:
                    visited.add(new_word)
                    queue.append((new_word, steps + 1))
    return 0

print(word_ladder('hit', 'cog', ['hot','dot','dog','lot','log','cog']))  # 5

การท่องกราฟทีละระดับ: การติดตามระยะทาง

การท่องกราฟทีละระดับจะจัดกลุ่มโหนดตามระยะทางจากต้นทาง ซึ่งมีประโยชน์โดยตรงสำหรับโจทย์ที่ต้องประมวลผลแยกตามระดับ ให้ติดตามระยะทางโดยเก็บไว้ในสมาชิกคิวเป็นทูเพิล (node, dist) หรือใช้เทคนิคขนาดคิว (บันทึกขนาดคิวก่อนเริ่มแต่ละระดับ ประมวลผลโหนดตามจำนวนนั้นพอดี แล้วเพิ่มตัวนับระดับ) ทั้งสองวิธีให้ผลลัพธ์เหมือนกัน

from collections import deque, defaultdict

def bfs_levels(graph, start):
    levels = {}
    visited = {start}
    queue = deque([start])
    dist = 0
    while queue:
        # Process all nodes at current distance
        for _ in range(len(queue)):
            node = queue.popleft()
            levels[node] = dist
            for nb in graph[node]:
                if nb not in visited:
                    visited.add(nb)
                    queue.append(nb)
        dist += 1
    return levels

graph = defaultdict(list)
for u, v in [(0,1),(0,2),(1,3),(2,3),(3,4)]:
    graph[u].append(v); graph[v].append(u)
print(bfs_levels(graph, 0))  # {0:0, 1:1, 2:1, 3:2, 4:3}

การโคลนกราฟ

การโคลนกราฟ (LeetCode #133) สร้างสำเนาเชิงลึกของกราฟไม่มีทิศทางที่เชื่อมต่อกัน ให้ใช้ BFS และแผนที่แฮชที่จับคู่โหนดต้นฉบับกับโคลนของโหนดนั้น เมื่อเยี่ยมชมโหนดเป็นครั้งแรก ให้สร้างโคลนของโหนดนั้นและเพิ่มลงในแผนที่ เมื่อประมวลผลโหนดเพื่อนบ้าน ให้ค้นหาหรือสร้างโคลนของโหนดเหล่านั้น แล้วเชื่อมเส้นเชื่อมเข้าด้วยกัน แผนที่แฮชมีหน้าที่สองอย่าง คือใช้ติดตามโหนดที่เยี่ยมชมแล้วและจับคู่โหนดต้นฉบับกับสำเนา

from collections import deque

class Node:
    def __init__(self, val=0, neighbors=None):
        self.val = val
        self.neighbors = neighbors if neighbors is not None else []

def clone_graph(node):
    if not node:
        return None
    old_to_new = {node: Node(node.val)}
    queue = deque([node])
    while queue:
        curr = queue.popleft()
        for nb in curr.neighbors:
            if nb not in old_to_new:
                old_to_new[nb] = Node(nb.val)
                queue.append(nb)
            old_to_new[curr].neighbors.append(old_to_new[nb])
    return old_to_new[node]

# Build a simple graph: 1 -- 2 -- 3 -- 4 -- 1
n1 = Node(1); n2 = Node(2); n3 = Node(3); n4 = Node(4)
n1.neighbors = [n2, n4]; n2.neighbors = [n1, n3]
n3.neighbors = [n2, n4]; n4.neighbors = [n3, n1]
cloned = clone_graph(n1)
print(cloned.val, [n.val for n in cloned.neighbors])  # 1 [2, 4]

BFS สองทิศทาง

BFS สองทิศทางเริ่ม BFS จากทั้งต้นทางและปลายทางพร้อมกัน โดยขยายทีละระดับจากแต่ละด้าน เมื่อแนวหน้าทั้งสองมาบรรจบกัน ก็จะพบเส้นทางสั้นที่สุด สำหรับกราฟขนาดใหญ่ วิธีนี้ลดพื้นที่ค้นหาจาก O(b^d) เหลือ O(2 * b^(d/2)) โดยที่ b คือปัจจัยการแตกแขนง และ d คือความยาวเส้นทาง ซึ่งเป็นการปรับปรุงอย่างมากสำหรับกราฟที่เชื่อมโยงกันอย่างลึก เช่น บันไดคำศัพท์ที่มีพจนานุกรมขนาดใหญ่

from collections import defaultdict

def word_ladder_bidir(begin, end, word_list):
    word_set = set(word_list)
    if end not in word_set:
        return 0
    front, back = {begin}, {end}
    visited = {begin, end}
    steps = 1
    while front and back:
        # Always expand the smaller frontier
        if len(front) > len(back):
            front, back = back, front
        next_front = set()
        for word in front:
            for i in range(len(word)):
                for c in 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz':
                    nw = word[:i] + c + word[i+1:]
                    if nw in back:  # frontiers met!
                        return steps + 1
                    if nw in word_set and nw not in visited:
                        visited.add(nw)
                        next_front.add(nw)
        front = next_front
        steps += 1
    return 0

print(word_ladder_bidir('hit','cog',['hot','dot','dog','lot','log','cog']))  # 5

0-1 BFS สำหรับกราฟถ่วงน้ำหนัก

0-1 BFSใช้จัดการกราฟที่น้ำหนักของเส้นเชื่อมมีเพียง 0 หรือ 1 แทนที่จะใช้คิวทั่วไป ให้ใช้คิวสองด้าน: เพิ่มเข้าไปด้านหลังสำหรับเส้นเชื่อมที่มีน้ำหนัก 1 (ระดับถัดไป) และเพิ่มเข้าไปด้านหน้าสำหรับเส้นเชื่อมที่มีน้ำหนัก 0 (ระดับเดียวกัน) วิธีนี้คำนวณเส้นทางสั้นที่สุดได้ในเวลา O(V + E) ซึ่งเร็วกว่าการคำนวณของไดค์สตราที่ใช้เวลา O((V+E) log V) เมื่อน้ำหนักมีสองค่า มักใช้ในโจทย์ตารางที่การเคลื่อนที่บางครั้งไม่มีค่าใช้จ่าย และบางครั้งมีค่าใช้จ่าย 1

from collections import deque

def zero_one_bfs(graph, start, n):
    # graph: list of (neighbour, weight) where weight is 0 or 1
    dist = [float('inf')] * n
    dist[start] = 0
    dq = deque([start])
    while dq:
        node = dq.popleft()
        for nb, w in graph[node]:
            if dist[node] + w < dist[nb]:
                dist[nb] = dist[node] + w
                if w == 0:
                    dq.appendleft(nb)   # same level
                else:
                    dq.append(nb)       # next level
    return dist

# Simple test:
graph = [[(1, 0), (2, 1)],   # node 0: free to 1, cost 1 to 2
         [(3, 1)],            # node 1: cost 1 to 3
         [(3, 0)],            # node 2: free to 3
         []]
print(zero_one_bfs(graph, 0, 4))  # [0, 0, 1, 1]

กำแพงและประตู (BFS หลายต้นทาง)

กำแพงและประตูเติมค่าระยะทางจากประตูที่ใกล้ที่สุดลงในห้องว่างแต่ละห้อง ให้ใช้ BFS หลายต้นทาง โดยเริ่มต้นคิวด้วยประตูทั้งหมด (ค่า 0) พร้อมกัน แล้วขยายออกไปโดยรอบ ค่าของแต่ละเซลล์จะถูกกำหนดเป็นระดับที่เซลล์นั้นถูกเข้าถึงเป็นครั้งแรก วิธีแก้ปัญหานี้ใช้เวลา O(mn) และมีประสิทธิภาพมากกว่าการเรียกใช้ BFS จากห้องว่างแต่ละห้องแยกกัน ซึ่งจะใช้เวลา O(m²n²)

from collections import deque

def walls_and_gates(rooms):
    if not rooms:
        return
    rows, cols = len(rooms), len(rooms[0])
    INF = float('inf')
    queue = deque()
    # Multi-source: all gates at distance 0
    for r in range(rows):
        for c in range(cols):
            if rooms[r][c] == 0:  # gate
                queue.append((r, c))
    dirs = [(0,1),(0,-1),(1,0),(-1,0)]
    while queue:
        r, c = queue.popleft()
        for dr, dc in dirs:
            nr, nc = r+dr, c+dc
            if 0<=nr<rows and 0<=nc<cols and rooms[nr][nc]==INF:
                rooms[nr][nc] = rooms[r][c] + 1
                queue.append((nr, nc))

rooms = [[float('inf'),-1,0,float('inf')],
         [float('inf'),float('inf'),float('inf'),-1],
         [float('inf'),-1,float('inf'),-1],
         [0,-1,float('inf'),float('inf')]]
walls_and_gates(rooms)
print(rooms[0][0], rooms[1][1])  # 3, 2

BFS ของงูและบันได

งูและบันได (LeetCode #909) เป็นโจทย์หาเส้นทางสั้นที่สุดด้วย BFS บนตารางตัวเลข จำลองกระดานเป็นกราฟไม่มีน้ำหนัก ซึ่งจากแต่ละช่องสามารถทอยลูกเต๋าได้ 1–6 และอาจไปตกบนงูหรือบันไดที่ส่งตัวไปยังตำแหน่งอื่น BFS จะหาจำนวนครั้งในการทอยลูกเต๋าที่น้อยที่สุด ความท้าทายสำคัญคือการแปลงระหว่างตำแหน่งแบบหนึ่งมิติกับพิกัดกระดานสองมิติ โดยคำนึงถึงการจัดเรียงแบบสลับทิศทางของแถว

from collections import deque

def snakes_and_ladders(board):
    n = len(board)
    def get_board(pos):
        r, c = divmod(pos - 1, n)
        if r % 2 == 1: c = n - 1 - c  # alternating direction
        return board[n - 1 - r][c]

    visited = {1}
    queue = deque([(1, 0)])
    while queue:
        pos, moves = queue.popleft()
        for dice in range(1, 7):
            next_pos = pos + dice
            if next_pos > n * n:
                break
            val = get_board(next_pos)
            if val != -1:
                next_pos = val  # snake or ladder
            if next_pos == n * n:
                return moves + 1
            if next_pos not in visited:
                visited.add(next_pos)
                queue.append((next_pos, moves + 1))
    return -1

print('BFS models game as an unweighted shortest-path problem')

ความซับซ้อนและการปรับให้เหมาะสมของ BFS

ความซับซ้อนด้านเวลาของ BFS คือ O(V + E) เนื่องจากจุดยอดแต่ละจุดถูกใส่ลงคิวครั้งเดียว และเส้นเชื่อมแต่ละเส้นถูกตรวจสอบจำนวนครั้งคงที่ ความซับซ้อนด้านหน่วยความจำคือ O(V) สำหรับเซตที่เยี่ยมชมแล้วและคิว สำหรับกราฟตาราง V = m*n และ E = 4*m*n (แต่ละเซลล์มีโหนดเพื่อนบ้าน 4 เซลล์) ดังนั้น BFS บนตารางจึงใช้เวลา O(mn) การปรับให้เหมาะสมที่สำคัญคือ ใช้เซตสำหรับติดตามเซลล์ที่เยี่ยมชมแล้ว (ค้นหาได้ในเวลา O(1)) ไม่ใช่รายการ (ค้นหาใช้เวลา O(n)) ให้ทำเครื่องหมายว่าเยี่ยมชมแล้วเมื่อใส่ลงคิว ไม่ใช่เมื่อหยิบออกจากคิว

# BFS on a graph with V vertices and E edges:
# Time:  O(V + E) -- each vertex and edge visited once
# Space: O(V)     -- visited set + queue

# BFS on an m x n grid:
# V = m*n cells
# E <= 4*m*n edges (4 directions, max)
# Time:  O(m*n)
# Space: O(m*n)

# Common pitfalls:
# 1. Marking visited on dequeue (not enqueue) -> same node queued multiple times
# 2. Using a list for visited -> O(n) membership check -> O(V*E) total
# 3. Not handling disconnected graph -> BFS from single source misses components
print('O(V+E) time, O(V) space -- mark visited on enqueue')

ศูนย์ที่ใกล้ที่สุดในเมทริกซ์ไบนารี

เมทริกซ์ 01 (LeetCode #542) หาระยะทางจากแต่ละเซลล์ไปยัง 0 ที่ใกล้ที่สุด การใช้ BFS หลายต้นทางจากเซลล์ 0 ทั้งหมดพร้อมกันให้วิธีแก้ที่เหมาะสมที่สุดในเวลา O(mn) ให้เริ่มต้นคิวด้วยเซลล์ 0 ทั้งหมดที่มีระยะทาง 0 และกำหนดให้เซลล์ 1 ทั้งหมดมีระยะทางเป็นอนันต์ BFS จะแพร่ค่าระยะทางออกจากเซลล์ 0 โดยกำหนดระยะทางของเซลล์ 1 แต่ละเซลล์ในครั้งแรกที่เข้าถึงเซลล์นั้น ซึ่งรับประกันว่าเป็นระยะทางสั้นที่สุด

from collections import deque

def update_matrix(mat):
    rows, cols = len(mat), len(mat[0])
    dist = [[float('inf')] * cols for _ in range(rows)]
    queue = deque()
    for r in range(rows):
        for c in range(cols):
            if mat[r][c] == 0:
                dist[r][c] = 0
                queue.append((r, c))
    dirs = [(0,1),(0,-1),(1,0),(-1,0)]
    while queue:
        r, c = queue.popleft()
        for dr, dc in dirs:
            nr, nc = r+dr, c+dc
            if 0<=nr<rows and 0<=nc<cols:
                if dist[r][c] + 1 < dist[nr][nc]:
                    dist[nr][nc] = dist[r][c] + 1
                    queue.append((nr, nc))
    return dist

mat = [[0,0,0],[0,1,0],[1,1,1]]
result = update_matrix(mat)
for row in result: print(row)  # [[0,0,0],[0,1,0],[1,2,1]]

ตรวจสอบความเข้าใจ

ทดสอบความเข้าใจแนวคิดโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม — การเตรียมตัวสัมภาษณ์เขียนโปรแกรมจากบทเรียนนี้

สรุปบทเรียน

ในบทเรียนนี้ คุณได้เรียนรู้BFS เพื่อหาเส้นทางสั้นที่สุดในกราฟที่ไม่มีน้ำหนัก พร้อมการติดตามโหนดก่อนหน้าเพื่อสร้างเส้นทางกลับคืน บันไดคำศัพท์ในฐานะตัวอย่างมาตรฐานของ BFS บนกราฟโดยนัย BFS สองทิศทางสำหรับกราฟขนาดใหญ่ และBFS หลายต้นทางสำหรับโจทย์ที่มีจุดเริ่มต้นหลายจุด ต่อไป เราจะประยุกต์ใช้ DFS กับองค์ประกอบเชื่อมต่อและการเติมพื้นที่

คำถามที่พบบ่อย

บทเรียน “BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ” ฟรีหรือไม่

ใช่ — ข้อความเต็มของ “BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ” ฟรีให้อ่านที่นี่บนเว็บ เพื่อปฏิบัติแบบโต้ตอบ (ตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7) และปลดล็อคส่วนที่เหลือของคอร์ส DSA Interview Prep ให้อัปเกรดเป็น CoddyKit PRO คอร์ส DSA Interview Prep มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน

คุณจะเรียนรู้อะไรในบทเรียน “BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ”

ใช้ BFS ค้นหาเส้นทางสั้นที่สุดในกราฟที่ไม่มีน้ำหนัก แก้โจทย์บันไดคำทีละระดับ และโคลนกราฟด้วยแผนผังแฮช คุณปฏิบัติ DSA Interview Prep ด้วยโค้ดที่ใช้งานได้จริงที่คุณเรียกใช้โดยตรงในเบราว์เซอร์ และติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 ตอบคำถามของคุณขณะที่คุณไปผ่านบทเรียน

คุณต้องมีประสบการณ์ก่อนที่จะเริ่มเรียน DSA Interview Prep หรือไม่

ไม่จำเป็นต้องมีประสบการณ์มาก่อน DSA Interview Prep บน CoddyKit ออกแบบมาสำหรับผู้เริ่มต้นไปจนถึงผู้เรียนขั้นสูง คุณสามารถเริ่มต้นที่นี่หรือเริ่มจากตัวแรกและเรียนด้วยความเร็วของคุณเอง นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน

บทเรียน “BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ” ใช้เวลานานแค่ไหน

บทเรียน CoddyKit ส่วนใหญ่ใช้เวลาประมาณ 5–10 นาที แต่ละบทเรียนจึงสั้นและเป็นแบบโต้ตอบ คุณสามารถก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องและกลับมาเรียนต่อจากตรงที่เพิ่งหยุดบนเว็บและแอปได้เลย

ฉันเขียนและรันโค้ดในบทเรียน DSA Interview Prep นี้ได้ไหม

ได้ บทเรียน DSA Interview Prep ทุกบทมีตัวแก้ไขโค้ดในตัว คุณจึงเขียนและรันโค้ดจริงได้เลยในเบราว์เซอร์ และได้รับข้อเสนอแนะจาก AI ในทันที — ไม่ต้องติดตั้งในเครื่องของคุณ

บทเรียนทั้งหมดในหลักสูตรนี้

  1. การแทนกราฟและการตั้งค่าการท่อง
  2. BFS: เส้นทางสั้นที่สุดและการท่องตามระดับ
  3. DFS: องค์ประกอบเชื่อมต่อและการเติมพื้นที่
  4. การตรวจจับวัฏจักรในกราฟมีทิศทางและไม่มีทิศทาง
← กลับไปที่ DSA Interview Prep