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ACM 最小生成树 Constructing Roads

2019-11-11 05:07:14
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来源:转载
供稿:网友

最小生成树:一个有 n 个结点的连通图的生成树是原图的极小连通子图,且包含原图中的所有 n 个结点,并且有保持图连通的最少的边。

最小生成树可以用kruskal(克鲁斯卡尔)算法或PRim(普里姆)算法求出。

在一给定的无向图G = (V, E) 中,(u, v) 代表连接顶点 u 与顶点 v 的边,而 w(u, v) 代表此边的权重,若存在 T 为 E 的子集且为无循环图,使得的 w(T) 最小,则此 T 为 G 的最小生成树。最小生成树其实是最小权重生成树的简称。

例如:要在n个城市之间铺设光缆,主要目标是要使这 n 个城市的任意两个之间都可以通信,但铺设光缆的费用很高,且各个城市之间铺设光缆的费用不同,因此另一个目标是要使铺设光缆的总费用最低。这就需要找到带权的最小生成树。

Prim算法简述

1).输入:一个加权连通图,其中顶点集合为V,边集合为E;2).初始化:Vnew= {x},其中x为集合V中的任一节点(起始点),Enew= {},为空;3).重复下列操作,直到Vnew= V:a.在集合E中选取权值最小的边<u, v>,其中u为集合Vnew中的元素,而v不在Vnew集合当中,并且v∈V(如果存在有多条满足前述条件即具有相同权值的边,则可任意选取其中之一);b.将v加入集合Vnew中,将<u, v>边加入集合Enew中;4).输出:使用集合Vnew和Enew来描述所得到的最小生成树。

图例描述:

图例说明不可选可选已选(Vnew
 

此为原始的加权连通图。每条边一侧的数字代表其权值。---

顶点D被任意选为起始点。顶点ABEF通过单条边与D相连。A是距离D最近的顶点,因此将A及对应边AD以高亮表示。C, GA, B, E, FD
 

下一个顶点为距离DA最近的顶点。BD为9,距A为7,E为15,F为6。因此,FDA最近,因此将顶点F与相应边DF以高亮表示。C, GB, E, FA, D
算法继续重复上面的步骤。距离A为7的顶点B被高亮表示。CB, E, GA, D, F
 

在当前情况下,可以在CEG间进行选择。CB为8,EB为7,GF为11。E最近,因此将顶点E与相应边BE高亮表示。C, E, GA, D, F, B
 

这里,可供选择的顶点只有CGCE为5,GE为9,故选取C,并与边EC一同高亮表示。C, GA, D, F, B, E

顶点G是唯一剩下的顶点,它距F为11,距E为9,E最近,故高亮表示G及相应边EGGA, D, F, B, E, C

现在,所有顶点均已被选取,图中绿色部分即为连通图的最小生成树。在此例中,最小生成树的权值之和为39。A, D, F, B, E, C, G
Kruskal算法简述       假设 WN=(V,{E}) 是一个含有 n 个顶点的连通网,则按照克鲁斯卡尔算法构造最小生成树的过程为:先构造一个只含 n 个顶点,而边集为空的子图,若将该子图中各个顶点看成是各棵树上的根结点,则它是一个含有 n 棵树的一个森林。之后,从网的边集 E 中选取一条权值最小的边,若该条边的两个顶点分属不同的树,则将其加入子图,也就是说,将这两个顶点分别所在的两棵树合成一棵树;反之,若该条边的两个顶点已落在同一棵树上,则不可取,而应该取下一条权值最小的边再试之。依次类推,直至森林中只有一棵树,也即子图中含有 n-1条边为止。

算法简单描述

1).记Graph中有v个顶点,e个边

2).新建图Graphnew,Graphnew中拥有原图中相同的e个顶点,但没有边

3).将原图Graph中所有e个边按权值从小到大排序

4).循环:从权值最小的边开始遍历每条边 直至图Graph中所有的节点都在同一个连通分量中

                if (这条边连接的两个节点于图Graphnew中不在同一个连通分量中)

                添加这条边到图Graphnew

图例描述:

首先第一步,我们有一张图Graph,有若干点和边 

 

将所有的边的长度排序,用排序的结果作为我们选择边的依据。这里再次体现了贪心算法的思想。资源排序,对局部最优的资源进行选择,排序完成后,我们率先选择了边AD。这样我们的图就变成了右图

 

 

 

在剩下的变中寻找。我们找到了CE。这里边的权重也是5

依次类推我们找到了6,7,7,即DF,AB,BE。

下面继续选择, BC或者EF尽管现在长度为8的边是最小的未选择的边。但是现在他们已经连通了(对于BC可以通过CE,EB来连接,类似的EF可以通过EB,BA,AD,DF来接连)。所以不需要选择他们。类似的BD也已经连通了(这里上图的连通线用红色表示了)。

最后就剩下EG和FG了。当然我们选择了EG。最后成功的图就是右:

 

伪代码

GenerieMST(G){                                                  //求G的某棵MSTT〈-¢;                                     //T初始为空,是指顶点集和边集均空while T未形成G的生成树 do{找出T的一条安全边(u,v);  //即T∪{(u,v)}仍为MST的子集T=T∪{(u,v)};                          //加入安全边,扩充T}return T; //T为生成树且是G的一棵MST}然后TOJ的话3451: Constructing Roads是用最小生成树做的..但是我还没做出来..等我做出来了后期补上...嗯..看了一些网上的代码,,,感觉用Kruskal算法比较方便~大家可以先自己尝试下哦!
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