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  • kruskal算法【最小生成树2】

    设G=(V,E)是无向连通带权图,V={1,2…,n};

    设最小生成树T=(V,TE),该树的初始状态为只有n个顶点而无边的非连通图T=(V,{}),Kruskal算法将这n个顶点看成是n个孤立的连通分支。

     

    它首先将所有的边按权值从小到大排序,然后只要T中选中的边数不到n-1,就做如下的贪心选择:

    在边集E中选取权值最小的边(i,j),如果将边(i,j)加入集合TE中不产生回路(圈),则将边(i,j)加入边集TE中,即用边(i,j)将这两个连通分支合并连接成一个连通分支;

    否则继续选择下一条最短边。把边(i,j)从集合E中删去。

     

    继续上面的贪心选择,直到T中所有顶点都在同一个连通分支上为止。

    此时,选取到的n-1条边恰好构成G的一棵最小生成树T。

     

    那么,怎样判断加入某条边后图T会不会出现回路呢?

    该算法对于手工计算十分方便,因为用肉眼可以很容易看到挑选哪些边能够避免构成回路(避圈法),但使用计算机程序来实现时,还需要一种机制来进行判断。

     

    Kruskal算法用了一个非常聪明的方法,就是运用集合避圈:

    如果所选择加入的边的起点和终点都在T的集合中,那么就可以断定一定会形成回路(圈)。其实就是我们前面提到的“避圈法”:边的两个结点不能属于同一集合。

     

    步骤1:初始化。将图G的边集E中的所有边按权值从小到大排序,边集TE={},把每个顶点都初始化为一个孤立的分支,即一个顶点对应一个集合。

    步骤2:在E中寻找权值最小的边(i,j)。

    步骤3:如果顶点i和位于两个不同连通分支,则将边(i,j)加入边集TE,并执行合并操作,将两个连通分支进行合并【即两个顶点设置成同一个集合号,一般向小集合号合并】。

    步骤4:将边(i,j)从集合E中删去,即E=E-{(i,j)}。

    步骤5:如果选取边数小于n-1,转步骤2;否则,算法结束,生成最小生成树了。

     

    适用范围:要求无向图

    kruskal算法(读者可以将其读作克鲁斯卡尔算法”同样是解决最小生成树问题的一个算法。和prim算法不同,kruskal算法采用了边贪心的策略,其思想极其简洁,理解难度比prim算法要低很多。

     

    kruskal算法的基本思想为:在初始状态时隐去图中的所有边,这样图中每个顶点都自成一个连通块。

    之后执行下面的步骤:

    ①对所有边按边权从小到大进行排序。

    ②按边权从小到大测试所有边,如果当前测试边所连接的两个顶点不在同一个连通块中,则把这条测试边加入当前最小生成树中;否则,将边舍弃。

    ③执行步骤②,直到最小生成树中的边数等于总顶点数减1或是测试完所有边时结束。

    而当结束时如果最小生成树的边数小于总顶点数减1,说明该图不连通。

    接下来以图10-51a为例,给出对该图执行kruskal算法的步骤。

    ①当前图中边权最小的边为V。V,权值为1。由于Vo和V4在不同的连通块中,因此把边VoVa加入最小生成树中,此时最小生成树中有1条边,权值之和为1,如图10-51所示。

     

    因此,kruskal算法的思想简单说来就是:

    每次选择图中最小边权的边,如果边两端的顶点在不同的连通块中,就把这条边加入最小生成树中。

     1 //边集定义部分
     2 struct edge
     3 {
     4     int u,v;//边的两个端点编号
     5     int cost;//边权
     6 }E[MAXE];//最多有MAXE条边
     7  
     8 bool cmp(edge a,edge b)
     9 {
    10     return a.cost <b.cost;
    11 }
    12  
    13 //并查集部分
    14 int father[MAXV];//并查集数组
    15 int findFather(int x)
    16 {//并查集查询函数
    17     int a=x;
    18     while(x!=father[x])
    19         x=father[x];
    20     //路径压缩
    21     while(a!=father[a])
    22     {
    23         int z = a;
    24         a = father[a];
    25         father[z]=x;
    26     }
    27     return x;
    28 }
    29  
    30 //kruskal部分,返回最小生成树的边权之和,参数n为顶点个数,m为图的边数
    31 int kruskal(int n,int m)
    32 {//ans为所求边权之和,Num Edge为当前生成树的边数
    33     int ans=0,Num Edge=034     for(int i=0;i<n;i++)//顶点范围是[0,n-1]
    35         father[i]=i;//并查集初始化
    36     sort(E,E+m,cmp);//所有边按边权从小到大排序
    37     for(int i=0;i<m;i++)
    38     {//枚举所有边 
    39         int faU=findFather(E[i].u);//查询测试边两个端点所在集合的根结点
    40         int faV=findFather(E[i].v);
    41         if(faU!=faV)
    42         {//如果不在一个集合中
    43             father[faU]=faV;//合并集合(即把测试边加入最小生成树中)
    44             ans += E[i].cost;//边权之和增加测试边的边权
    45             Num_Edge++;//当前生成树的边数加1
    46             if(Num_Edge == n-1)
    47                 break//边数等于顶点数减1时结束算法
    48         }
    49     }
    50     if(Num_Edge!=n-1)
    51         return -1//无法连通时返回-1
    52     else 
    53         return ans;//返回最小生成树的边权之和
    54 }
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