最小生成树之克鲁斯卡尔(Kruskal)算法及实现方法

学习最小生成树算法之前我们先来了解下 下面这些概念:

(Tree):如果一个无向连通图中不存在回路,则这种图称为树。

生成树 (Spanning Tree):无向连通图G的一个子图如果是一颗包含G的所有顶点的树,则该子图称为G的生成树。

生成树是连通图的极小连通子图。这里所谓极小是指:若在树中任意增加一条边,则将出现一条回路;若去掉一条边,将会使之变成非连通图。

最小生成树(Minimum Spanning Tree,MST):或者称为最小代价树Minimum-cost Spanning Tree:对无向连通图的生成树,各边的权值总和称为生成树的权,权最小的生成树称为最小生成树。

构成生成树的准则有三条:

<1> 必须只使用该网络中的边来构造最小生成树。

<2> 必须使用且仅使用n-1条边来连接网络中的n个顶点

<3> 不能使用产生回路的边。

 

构造最小生成树的算法主要有:克鲁斯卡尔(Kruskal)算法和普利姆(Prim)算法他们都遵循以上准则。

接下分别讨论一下这两种算法以及判定最小生成树是否唯一的方法。

克鲁斯卡尔算法

克鲁斯卡尔算法的基本思想是以边为主导地位,始终选择当前可用(所选的边不能构成回路)的最小权植边。所以Kruskal算法的第一步是给所有的边按照从小到大的顺序排序。这一步可以直接使用库函数qsort或者sort。接下来从小到大依次考察每一条边(u,v)。

具体实现过程如下:

<1> 设一个有n个顶点的连通网络为G(V,E),最初先构造一个只有n个顶点,没有边的非连通图T={V,空},图中每个顶点自成一格连通分量。

<2> 在E中选择一条具有最小权植的边时,若该边的两个顶点落在不同的连通分量上,则将此边加入到T中;否则,即这条边的两个顶点落到同一连通分量      上,则将此边舍去(此后永不选用这条边),重新选择一条权植最小的边。

<3> 如此重复下去,直到所有顶点在同一连通分量上为止。

最小生成树的实现方法

关键的地方在于“连通分量的查询合并”,需要知道任意两个点是否在同一连通分量中,还需要合并两个连通分量。

这个问题正好可以用并查集完美的解决(不得不佩服前辈们聪明才智啊!)

并查集(Union-Find set)这个数据结构可以方便快速的解决这个问题。基本的处理思想是:初始时把每个对象看作是一个单元素集合;然后依次按顺序读入联通边,将连通边中的两个元素合并。在此过程中将重复使用一个搜索(Find)运算,确定一个集合在那个集合中。当读入一个连通边(u,v)时,先判断u和v是否在同一个集合中,如果是则不用合并;如果不是,则用一个合并(Union)运算把u、v所在集合合并,使得这两个集合中的任意两个元素都连通。因此并查集在处理时,主要用到搜索合并两个运算。

为了方便并查集的描述与实现,通常把先后加入到一个集合中的元素表示成一个树结构,并用根结点的序号来表示这个集合。因此定义一个parent[n]的数组parent[i]中存放的就是结点i所在的树中结点i的父亲节点的序号例如,如果parent[4]=5,就是说4号结点的父亲结点是5号结点。约定:如果i的父结点(即parent[i])是负数,则表示结点i就是它所在的集合的根结点,因为集合中没有结点的序号是负的;并且用负数的绝对值作为这个集合中所含结点的个数。例如,如果parent[7]=-4,说明7号结点就是它所在集合的根结点,这个集合有四个元素。初始时结点的parent值为-1(每个结点都是根结点,只包含它自己一个元素)。


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