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演算法導論--最小生成樹(Kruskal和Prim演算法)

關於圖的幾個概念定義:

  • 連通圖:在無向圖中,若任意兩個頂點vivj都有路徑相通,則稱該無向圖為連通圖。
  • 強連通圖:在有向圖中,若任意兩個頂點vivj都有路徑相通,則稱該有向圖為強連通圖。
  • 連通網:在連通圖中,若圖的邊具有一定的意義,每一條邊都對應著一個數,稱為權;權代表著連線連個頂點的代價,稱這種連通圖叫做連通網。
  • 生成樹:一個連通圖的生成樹是指一個連通子圖,它含有圖中全部n個頂點,但只有足以構成一棵樹的n-1條邊。一顆有n個頂點的生成樹有且僅有n-1條邊,如果生成樹中再新增一條邊,則必定成環。
  • 最小生成樹:在連通網的所有生成樹中,所有邊的代價和最小的生成樹,稱為最小生成樹。
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下面介紹兩種求最小生成樹演算法

1.Kruskal演算法

此演算法可以稱為“加邊法”,初始最小生成樹邊數為0,每迭代一次就選擇一條滿足條件的最小代價邊,加入到最小生成樹的邊集合裡。
1. 把圖中的所有邊按代價從小到大排序;
2. 把圖中的n個頂點看成獨立的n棵樹組成的森林;
3. 按權值從小到大選擇邊,所選的邊連線的兩個頂點ui,vi,應屬於兩顆不同的樹,則成為最小生成樹的一條邊,並將這兩顆樹合併作為一顆樹。
4. 重複(3),直到所有頂點都在一顆樹內或者有n-1條邊為止。

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2.Prim演算法

此演算法可以稱為“加點法”,每次迭代選擇代價最小的邊對應的點,加入到最小生成樹中。演算法從某一個頂點s開始,逐漸長大覆蓋整個連通網的所有頂點。

  1. 圖的所有頂點集合為V;初始令集合u={s},v=Vu;
  2. 在兩個集合u,v能夠組成的邊中,選擇一條代價最小的邊(u0,v0),加入到最小生成樹中,並把v0併入到集合u中。
  3. 重複上述步驟,直到最小生成樹有n-1條邊或者n個頂點為止。

由於不斷向集合u中加點,所以最小代價邊必須同步更新;需要建立一個輔助陣列closedge,用來維護集合v中每個頂點與集合u中最小代價邊資訊,:

struct
{
  char vertexData   //表示u中頂點資訊
  UINT lowestcost   //最小代價
}closedge[vexCounts]

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3.完整程式碼

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CSDN 勿在浮沙築高臺 http://blog.csdn.net/luoshixian099演算法導論--最小生成樹(Prim、Kruskal)2016年7月14日
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#include <iostream> #include <vector> #include <queue> #include <algorithm> using namespace std; #define INFINITE 0xFFFFFFFF #define VertexData unsigned int //頂點資料 #define UINT unsigned int #define vexCounts 6 //頂點數量 char vextex[] = { 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' }; struct node { VertexData data; unsigned int lowestcost; }closedge[vexCounts]; //Prim演算法中的輔助資訊 typedef struct { VertexData u; VertexData v; unsigned int cost; //邊的代價 }Arc; //原始圖的邊資訊 void AdjMatrix(unsigned int adjMat[][vexCounts]) //鄰接矩陣表示法 { for (int i = 0; i < vexCounts; i++) //初始化鄰接矩陣 for (int j = 0; j < vexCounts; j++) { adjMat[i][j] = INFINITE; } adjMat[0][1] = 6; adjMat[0][2] = 1; adjMat[0][3] = 5; adjMat[1][0] = 6; adjMat[1][2] = 5; adjMat[1][4] = 3; adjMat[2][0] = 1; adjMat[2][1] = 5; adjMat[2][3] = 5; adjMat[2][4] = 6; adjMat[2][5] = 4; adjMat[3][0] = 5; adjMat[3][2] = 5; adjMat[3][5] = 2; adjMat[4][1] = 3; adjMat[4][2] = 6; adjMat[4][5] = 6; adjMat[5][2] = 4; adjMat[5][3] = 2; adjMat[5][4] = 6; } int Minmum(struct node * closedge) //返回最小代價邊 { unsigned int min = INFINITE; int index = -1; for (int i = 0; i < vexCounts;i++) { if (closedge[i].lowestcost < min && closedge[i].lowestcost !=0) { min = closedge[i].lowestcost; index = i; } } return index; } void MiniSpanTree_Prim(unsigned int adjMat[][vexCounts], VertexData s) { for (int i = 0; i < vexCounts;i++) { closedge[i].lowestcost = INFINITE; } closedge[s].data = s; //從頂點s開始 closedge[s].lowestcost = 0; for (int i = 0; i < vexCounts;i++) //初始化輔助陣列 { if (i != s) { closedge[i].data = s; closedge[i].lowestcost = adjMat[s][i]; } } for (int e = 1; e <= vexCounts -1; e++) //n-1條邊時退出 { int k = Minmum(closedge); //選擇最小代價邊 cout << vextex[closedge[k].data] << "--" << vextex[k] << endl;//加入到最小生成樹 closedge[k].lowestcost = 0; //代價置為0 for (int i = 0; i < vexCounts;i++) //更新v中頂點最小代價邊資訊 { if ( adjMat[k][i] < closedge[i].lowestcost) { closedge[i].data = k; closedge[i].lowestcost = adjMat[k][i]; } } } } void ReadArc(unsigned int adjMat[][vexCounts],vector<Arc> &vertexArc) //儲存圖的邊代價資訊 { Arc * temp = NULL; for (unsigned int i = 0; i < vexCounts;i++) { for (unsigned int j = 0; j < i; j++) { if (adjMat[i][j]!=INFINITE) { temp = new Arc; temp->u = i; temp->v = j; temp->cost = adjMat[i][j]; vertexArc.push_back(*temp); } } } } bool compare(Arc A, Arc B) { return A.cost < B.cost ? true : false; } bool FindTree(VertexData u, VertexData v,vector<vector<VertexData> > &Tree) { unsigned int index_u = INFINITE; unsigned int index_v = INFINITE; for (unsigned int i = 0; i < Tree.size();i++) //檢查u,v分別屬於哪顆樹 { if (find(Tree[i].begin(), Tree[i].end(), u) != Tree[i].end()) index_u = i; if (find(Tree[i].begin(), Tree[i].end(), v) != Tree[i].end()) index_v = i; } if (index_u != index_v) //u,v不在一顆樹上,合併兩顆樹 { for (unsigned int i = 0; i < Tree[index_v].size();i++) { Tree[index_u].push_back(Tree[index_v][i]); } Tree[index_v].clear(); return true; } return false; } void MiniSpanTree_Kruskal(unsigned int adjMat[][vexCounts]) { vector<Arc> vertexArc; ReadArc(adjMat, vertexArc);//讀取邊資訊 sort(vertexArc.begin(), vertexArc.end(), compare);//邊按從小到大排序 vector<vector<VertexData> > Tree(vexCounts); //6棵獨立樹 for (unsigned int i = 0; i < vexCounts; i++) { Tree[i].push_back(i); //初始化6棵獨立樹的資訊 } for (unsigned int i = 0; i < vertexArc.size(); i++)//依次從小到大取最小代價邊 { VertexData u = vertexArc[i].u; VertexData v = vertexArc[i].v; if (FindTree(u, v, Tree))//檢查此邊的兩個頂點是否在一顆樹內 { cout << vextex[u] << "---" << vextex[v] << endl;//把此邊加入到最小生成樹中 } } } int main() { unsigned int adjMat[vexCounts][vexCounts] = { 0 }; AdjMatrix(adjMat); //鄰接矩陣 cout << "Prim :" << endl; MiniSpanTree_Prim(adjMat,0); //Prim演算法,從頂點0開始. cout << "-------------" << endl << "Kruskal:" << endl; MiniSpanTree_Kruskal(adjMat);//Kruskal演算法 return 0; }

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Reference:
資料結構–耿國華
演算法導論–第三版