最小生成树【Kruskal】

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Kruskal算法的高效实现需要一种称作并查集的结构。我们在这里步介绍并查集,只介绍Kruskal算法的基本思想和证明,实现留在以后讨论。

Kruskal算法的过程:

(1) 将全部边按照权值由小到大排序

(2) 按顺序(边权由小到大的顺序)考虑每条边,只要这条边和我们已经选择的边不构成圈,就保留这条边,否则放弃这条边。

算法 成功选择(n-1)条边后,形成一个棵最小生成树,当然如果算法无法选择出(n-1)条边,则说明原图不连通。

以下图为例:

边排序后为:

1 AF 1
2 DE 4
3 BD 5
4 BC 6
5 CD 10
6 BF 11
7 DF 14
8 AE 16
9 AB 17
10 EF 33

算法处理过程如下:

处理边AF,点A与点F不在同一个集合里,选中AF。

处理边DE,点D与点E不在同一个集合里,选中DE
处理边BD,点B与点D不在同一个集合里,选中BD

处理边BC,点B与点C不在同一个集合里,选中BC

处理边CD,点C与点D在同一个集合里,放弃CD。
处理边BF,点B与点F不在同一个集合里,选中BF。

至此,所有的点都连在了一起,剩下的边DF,AE,AB,EF不用继续处理了,算法执行结束。


Kruskal算法的证明。假设图连通,我们证明Krusal算法得到一棵最小生成树。我们假设Kruskal算法得到的树是K (注意我们已经假设Kruskal算法一定可以得到生成树)。假设T是一棵最小生成树,并且K ≠T, K中显然至少有一条边。我们找到在K中,而不在T中最小权值的边e。


把e加入T中,则形成一个圈,删掉这个圈中不在K中的边f,得到新的生成树T’。
f的存在性,如果全里面所有的边都在K中,则K包含圈,矛盾。

考虑边权值关系:

(1) 若w(f) > w(e), 则T’的权值和小于T的权值和,与T是最小生成树矛盾。
(2) 若w(f) < w(e), 说明Kruskal算法在考虑加入e之前先考虑了边f,之所以没加入f是因为f和之前加入的边形成圈,之前加入的边权值显然不超过w(f) (因为加边是从小到大的顺序加入的),所以之前加入的边权值一定小于w(e)。而根据e的定义,K中权值小于w(e)的边都在T中,这说明T中的边会和f构成圈,矛盾。

所以只能w(f) = w(e)。T’仍然是最小生成树,而T’和K相同的边多了一条。
这样下去有限步之后,最终可以把T变为K,从而K也是最小生成树。
示例:

输入

第1行:2个数N,M中间用空格分隔,N为点的数量,M为边的数量。(2 <= N <= 1000, 1 <= M <= 50000)
第2 - M + 1行:每行3个数S E W,分别表示M条边的2个顶点及权值。(1 <= S, E <= N,1 <= W <= 10000)
输出

输出最小生成树的所有边的权值之和。
输入示例

9 14
1 2 4
2 3 8
3 4 7
4 5 9
5 6 10
6 7 2
7 8 1
8 9 7
2 8 11
3 9 2
7 9 6
3 6 4
4 6 14
1 8 8
输出示例

37
代码:
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<iostream>
#include<algorithm>
#define LL long long
using namespace std;
const int maxn=50005;
int n,m,index=1;
int pre[maxn];
LL ans=0;
struct node{
    int x,y,w;
}edge[maxn];
bool cmp(node a,node b){
    return a.w<b.w;
}
void init(){
    for(int i=1;i<=n;i++){
        pre[i]=i;
    }
}
int find(int x){
    int r=x;
    while(pre[r]!=r)
        r=pre[r];
    int i=x,j;
    while(pre[i]!=r){
        j=pre[i];
        pre[i]=r;
        i=j;
    }
    return r;
}
void unite(int x,int y){
    int fx=find(x);
    int fy=find(y);
    if(fx!=fy){
        pre[fx]=fy;
    }
}
void Kruskal(){
    init();
    int i,j;
    for(i=1;i<=m;i++){
        int x=edge[i].x;
        int y=edge[i].y;
        if(find(x)!=find(y)){
            unite(x,y);
            ans+=edge[i].w;
        }
    }
}
int main(){
    int i,j;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for(i=1;i<=m;i++){
        scanf("%d%d%d",&edge[i].x,&edge[i].y,&edge[i].w);
    }
    sort(edge+1,edge+m+1,cmp);
    Kruskal();
    printf("%lld\n",ans);
    return 0;
}


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