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几种常见的最小生成树算法以及代码实现注释

2023-06-15 11:39 作者:自由的莱纳  | 我要投稿

以下是几种常见的最小生成树算法(Minimum Spanning Tree, MST)以及带有代码注释的实现示例(使用Python语言):


1. Prim算法:

   - 原理:从一个起始顶点开始,逐步扩展生成最小生成树。每次选择与当前生成树连接的边中权重最小的边,将其连接的顶点加入生成树,直到生成树包含所有顶点为止。

   - 实现(使用邻接矩阵表示图):

     ```python

     def prim_mst(graph):

         num_vertices = len(graph)

         # 初始化最小生成树的顶点集合和边集合

         mst = []

         visited = [False] * num_vertices


         # 选择初始顶点

         start_vertex = 0

         visited[start_vertex] = True


         while len(mst) < num_vertices - 1:

             min_weight = float('inf')

             min_edge = None


             # 遍历已访问顶点集合,寻找权重最小的边

             for i in range(num_vertices):

                 if visited[i]:

                     for j in range(num_vertices):

                         if not visited[j] and graph[i][j] < min_weight:

                             min_weight = graph[i][j]

                             min_edge = (i, j)


             if min_edge:

                 # 将权重最小的边加入最小生成树

                 mst.append(min_edge)

                 visited[min_edge[1]] = True


         return mst

     ```


2. Kruskal算法:

   - 原理:按照边的权重从小到大选择,并且不形成环路。将边逐个加入生成树,直到生成树包含所有顶点为止。

   - 实现(使用并查集表示集合):

     ```python

     class UnionFind:

         def __init__(self, num_vertices):

             self.parent = list(range(num_vertices))

             self.rank = [0] * num_vertices


         def find(self, x):

             if self.parent[x] != x:

                 self.parent[x] = self.find(self.parent[x])

             return self.parent[x]


         def union(self, x, y):

             root_x = self.find(x)

             root_y = self.find(y)


             if self.rank[root_x] < self.rank[root_y]:

                 self.parent[root_x] = root_y

             elif self.rank[root_x] > self.rank[root_y]:

                 self.parent[root_y] = root_x

             else:

                 self.parent[root_y] = root_x

                 self.rank[root_x] += 1


     def kruskal_mst(graph):

         num_vertices = len(graph)

         # 初始化最小生成树的边集合

         mst = []


         # 按权重升序排序所有边

         edges = []

         for i in range(num_vertices):

             for j in range(i+1, num_vertices):

                 if graph[i][j] != 0:

                     edges.append((i, j, graph[i][j]))

         edges.sort(key=lambda x: x[2])


         uf = UnionFind(num_vertices)


         for edge in edges:

             u, v, weight = edge

             if uf.find(u) != uf.find(v):

                 # 加入当前边不会形成环路,将其加入最小生成树

                 mst.append((u, v, weight))

                 uf.union(u, v)


         return mst

     ```


3. Boruvka算法:

   - 原理:从每个连通分量中选择最小权重的边,将连通分量合并,重复这个过程,直到只剩下一个连通分量为止。

   - 实现(使用邻接表表示图):

     ```python

     class Graph:

         def __init__(self, num_vertices):

             self.num_vertices = num_vertices

             self.edges = []


         def add_edge(self, src, dest, weight):

             self.edges.append((src, dest, weight))


     class Subset:

         def __init__(self, parent, rank):

             self.parent = parent

             self.rank = rank


     def find(subsets, i):

         if subsets[i].parent != i:

             subsets[i].parent = find(subsets, subsets[i].parent)

         return subsets[i].parent


     def union(subsets, x, y):

         if subsets[x].rank < subsets[y].rank:

             subsets[x].parent = y

         elif subsets[x].rank > subsets[y].rank:

             subsets[y].parent = x

         else:

             subsets[y].parent = x

             subsets[x].rank += 1


     def boruvka_mst(graph):

         num_vertices = graph.num_vertices

         mst = []


         subsets = [Subset(i, 0) for i in range(num_vertices)]

         cheapest = [-1] * num_vertices


         num_trees = num_vertices

         while num_trees > 1:

             for i in range(len(graph.edges)):

                 src, dest, weight = graph.edges[i]

                 x = find(subsets, src)

                 y = find(subsets, dest)


                 if x != y:

                     if cheapest[x] == -1 or weight < graph.edges[cheapest[x]][2]:

                         cheapest[x] = i

                     if cheapest[y] == -1 or weight < graph.edges[cheapest[y]][2]:

                         cheapest[y] = i


             for i in range(num_vertices):

                 if cheapest[i] != -1:

                     src, dest, weight = graph.edges[cheapest[i]]

                     x = find(subsets, src)

                     y = find(subsets, dest)


                     if x != y:

                         mst.append((src, dest, weight))

                         union(subsets, x, y)

                         num_trees -= 1


             cheapest = [-1] * num_vertices


         return mst

     ```


这些是常见的最小生成树算法及其代码实现。每种算法都有不同的时间复杂度和适用场景,根据具体问题的需求选择合适的算法。


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