白话数据结构之【最小生成树】

2024-09-07 18:48

本文主要是介绍白话数据结构之【最小生成树】,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

一:基本概念

 

1:什么是生成树?

对于图G<V,E>,如果其子图G'<V',E'>满足V'=V,且G'是一棵树,那么G'就是图G的一颗生成树。生成树是一棵树,按照树的定义,每个顶点都能访问到任何一个其它顶点。(离散数学中的概念),其中V是顶点,E是边,通俗来讲生成树必须包含原图中的所有节点且是连通的

比如

 

2:最小生成树

一个无向连通图G=(V,E),最小生成树就是联结所有顶点的边的权值和最小时的子图T,此时T无回路且连接所有的顶点,所以它必须是棵树。就是将原图的n个顶点用

n-1条边的权值夹起来最小的且连通没有回路的图

 

 

二:求法

 

 

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

 

 

Prim(普里姆)算法

 

MST(Minimum Spanning Tree,最小生成树)问题有两种通用的解法,Prim算法就是其中之一,它是从点的方面考虑构建一颗MST,大致思想是:设图G顶点集合为U,首先任意选择图G中的一点作为起始点a,将该点加入集合V,再从集合U-V中找到另一点b使得点b到V中任意一点的权值最小,此时将b点也加入集合V;以此类推,现在的集合V={a,b},再从集合U-V中找到另一点c使得点c到V中任意一点的权值最小,此时将c点加入集合V,直至所有顶点全部被加入V,此时就构建出了一颗MST。因为有N个顶点,所以该MST就有N-1条边,每一次向集合V中加入一个点,就意味着找到一条MST的边。


用图示和代码说明:

初始状态:


设置2个数据结构:

lowcost[i]:表示以i为终点的边的最小权值,当lowcost[i]=0说明以i为终点的边的最小权值=0,也就是表示i点加入了MST

mst[i]:表示对应lowcost[i]的起点,即说明边<mst[i],i>是MST的一条边,当mst[i]=0表示起点i加入MST


我们假设V1是起始点,进行初始化(*代表无限大,即无通路):


lowcost[2]=6lowcost[3]=1lowcost[4]=5lowcost[5]=*,lowcost[6]=*

mst[2]=1mst[3]=1,mst[4]=1mst[5]=1,mst[6]=1(所有点默认起点是V1)


明显看出,以V3为终点的边的权值最小=1,所以边<mst[3],3>=1加入MST


此时,因为点V3的加入,需要更新lowcost数组和mst数组:

lowcost[2]=5lowcost[3]=0lowcost[4]=5lowcost[5]=6,lowcost[6]=4

mst[2]=3mst[3]=0,mst[4]=1mst[5]=3,mst[6]=3


 

明显看出,以V6为终点的边的权值最小=4,所以边<mst[6],6>=4加入MST


此时,因为点V6的加入,需要更新lowcost数组和mst数组:

lowcost[2]=5lowcost[3]=0lowcost[4]=2lowcost[5]=6lowcost[6]=0

mst[2]=3

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