什么是Kruskal算法?如何避圈?

Python012

什么是Kruskal算法?如何避圈?,第1张

1. Kruskal算法

(1) 算法思想

K r u s k a l算法每次选择n- 1条边,所使用的贪婪准则是:从剩下的边中选择一条不会产生环路的具有最小耗费的边加入已选择的边的集合中。注意到所选取的边若产生环路则不可能形成一棵生成树。K r u s k a l算法分e 步,其中e 是网络中边的数目。按耗费递增的顺序来考虑这e 条边,每次考虑一条边。当考虑某条边时,若将其加入到已选边的集合中会出现环路,则将其抛弃,否则,将它选入。

初始时没有任何边被选择。边( 1 , 6)是最先选入的边,它被加入到欲构建的生成树中,得到图1 3 - 1 2 c。下一步选择边( 3,4)并将其加入树中(如图1 3 - 1 2 d所示)。然后考虑边( 2,7 ,将它加入树中并不会产生环路,于是便得到图1 3 - 1 2 e。下一步考虑边( 2,3)并将其加入树中(如图1 3 - 1 2 f所示)。在其余还未考虑的边中,(7,4)具有最小耗费,因此先考虑它,将它加入正在创建的树中会产生环路,所以将其丢弃。此后将边( 5,4)加入树中,得到的树如图13-12g 所示。下一步考虑边( 7,5),由于会产生环路,将其丢弃。最后考虑边( 6,5)并将其加入树中,产生了一棵生成树,其耗费为9 9。图1 - 1 3给出了K r u s k a l算法的伪代码。

kruskal算法是:克鲁斯卡尔算法。是求连通网的最小生成树的另一种方法。与普里姆算法不同,它的时间复杂度为O(eloge)、(e为网中的边数),所以,适合于求边稀疏的网的最小生成树。

克鲁斯卡尔(Kruskal)算法从另一途径求网的最小生成树。其基本思想是:假设连通网G=(V,E),令最小生成树的初始状态为只有n个顶点而无边的非连通图T=(V,{}),概述图中每个顶点自成一个连通分量。

在E中选择代价最小的边,若该边依附的顶点分别在T中不同的连通分量上,则将此边加入到T中;否则,舍去此边而选择下一条代价最小的边。依此类推,直至T中所有顶点构成一个连通分量为止。

复杂度:

克鲁斯卡尔算法的时间复杂度主要由排序方法决定,而克鲁斯卡尔算法的排序方法只与网中边的条数有关,而与网中顶点的个数无关,当使用时间复杂度为O(elog2e)的排序方法时,克鲁斯卡尔算法的时间复杂度即为O(log2e),因此当网的顶点个数较多、而边的条数较少时,使用克鲁斯卡尔算法构造最小生成树效果较好。

在含有n个顶点的连通图中选择n-1条边,构成一棵极小连通子图,并使该连通子图中n-1条边上权值之和达到最小,则称其为连通网的最小生成树。

例如,对于上图中的连通网可以有多棵权值总和不相同的生成树。

克鲁斯卡尔(Kruskal)算法,是用来求加权连通图的最小生成树的算法。

基本思想 :按照权值从小到大的顺序选择n-1条边,并保证这n-1条边不构成回路。

具体做法 :首先构造一个只含n个顶点的森林,然后依照权值从小到大从连通网中选择边加入到森林中,并使得森林不产生回路,直到森林变成一棵树为止。

以图G4为例(更详细的可以参考《算法导论》p367),对Kruskal进行演示(假设,用数组R保存最小生成树结果)。

第1步 :将边<E,F>加入R中。

边<E,F>的权值最小,因此将它加入到最小生成树结果R中。

第2步 :将边<C,D>加入R中。

上一步操作之后,边<C,D>的权值最小,因此将它加入到最小生成树结果R中。

第3步 :将边<D,E>加入R中。

上一步操作之后,边<D,E>的权值最小,因此将它加入到最小生成树结果R中。

第4步 :将边<B,F>加入R中。

上一步操作之后,边<C,E>的权值最小,但<C,E>会和已有的边构成回路;因此,跳过边<C,E>。同理,跳过边<C,F>。将边<B,F>加入到最小生成树结果R中。

第5步 :将边<E,G>加入R中。

上一步操作之后,边<E,G>的权值最小,因此将它加入到最小生成树结果R中。

第6步 :将边<A,B>加入R中。

上一步操作之后,边<F,G>的权值最小,但<F,G>会和已有的边构成回路;因此,跳过边<F,G>。同理,跳过边<B,C>。将边<A,B>加入到最小生成树结果R中。

此时,最小生成树构造完成!它包括的边依次是: <E,F><C,D><D,E><B,F><E,G><A,B>

根据前面介绍的克鲁斯卡尔算法的基本思想和做法,我们能够了解到,克鲁斯卡尔算法重点需要解决的以下两个问题:

问题一 对图的所有边按照权值大小进行排序。

问题二 将边添加到最小生成树中时,怎么样判断是否形成了回路。

问题一用排序算法排序即可。

问题二,处理方式:记录顶点在“最小生成树”中的终点,顶点的终点是“在最小生成树中与它连通的最大顶点"(关于这一点,后面会通过图片给出说明)。然后每次需要将一条边添加到最小生成树时,判断该边的两个顶点的终点是否重合,重合的话则会构成回路。 以下图来进行说明:

在将<E,F><C,D><D,E>加入到最小生成树R中之后,这几条边的顶点就都有了终点:

关于终点,就是将所有顶点按照从小到大的顺序排列好之后;某个顶点的终点就是"与它连通的最大顶点"。 因此,接下来,虽然<C,E>是权值最小的边。但是C和E的重点都是F,即它们的终点相同,因此,将<C,E>加入最小生成树的话,会形成回路。这就是判断回路的方式。

普里姆(Prim)算法,也是求加权连通图的最小生成树的算法。

基本思想

对于图G而言,V是所有顶点的集合;现在,设置两个新的集合U和T,其中U用于存放G的最小生成树中的顶点,T存放G的最小生成树中的边。从所有的 uЄU ,vЄ(V-U)(V-U表示除去U的所有顶点)的边中选取权值最小的边(u,v),将顶点v加入U中,将边(u,v)加入集合T中,如此不断重复,直到U=V为止,最小生成树构造完毕,此时集合T中包含了最小生成树中的所有边。

以上图G4为例,来对普里姆进行演示(从第一个顶点A开始通过普里姆算法生成最小生成树)。

初始状态 :V是所有顶点的集合,即V={A,B,C,D,E,F,G};U和T都是空!

第1步 :将顶点A加入到U中。

此时,U={A}。

第2步 :将顶点B加入到U中。

上一步操作之后,U={A}, V-U={B,C,D,E,F,G};因此,边(A,B)的权值最小。将顶点B添加到U中;此时,U={A,B}。

第3步 :将顶点F加入到U中。

上一步操作之后,U={A,B}, V-U={C,D,E,F,G};因此,边(B,F)的权值最小。将顶点F添加到U中;此时,U={A,B,F}。

第4步 :将顶点E加入到U中。

上一步操作之后,U={A,B,F}, V-U={C,D,E,G};因此,边(F,E)的权值最小。将顶点E添加到U中;此时,U={A,B,F,E}。

第5步 :将顶点D加入到U中。

上一步操作之后,U={A,B,F,E}, V-U={C,D,G};因此,边(E,D)的权值最小。将顶点D添加到U中;此时,U={A,B,F,E,D}。

第6步 :将顶点C加入到U中。

上一步操作之后,U={A,B,F,E,D}, V-U={C,G};因此,边(D,C)的权值最小。将顶点C添加到U中;此时,U={A,B,F,E,D,C}。

第7步 :将顶点G加入到U中。

上一步操作之后,U={A,B,F,E,D,C}, V-U={G};因此,边(F,G)的权值最小。将顶点G添加到U中;此时,U=V。

此时,最小生成树构造完成!它包括的顶点依次是:A B F E D C G。