7-10 公路村村通 (30 分)

这是一个关于使用C语言解决村落间道路连接问题的算法,目标是找到最小成本使得所有村落都能通过公路相连。输入包括城镇数量N和候选道路数量M,以及每条道路的两个城镇编号和成本。输出是实现村村通所需的最低成本,若无法确保畅通则输出-1。

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7-10 公路村村通 (30 分)

现有村落间道路的统计数据表中,列出了有可能建设成标准公路的若干条道路的成本,求使每个村落都有公路连通所需要的最低成本。

输入格式:

输入数据包括城镇数目正整数N(≤1000)和候选道路数目M(≤3N);随后的M行对应M条道路,每行给出3个正整数,分别是该条道路直接连通的两个城镇的编号以及该道路改建的预算成本。为简单起见,城镇从1到N编号。

输出格式:

输出村村通需要的最低成本。如果输入数据不足以保证畅通,则输出−1,表示需要建设更多公路。

输入样例:

6 15
1 2 5
1 3 3
1 4 7
1 5 4
1 6 2
2 3 4
2 4 6
2 5 2
2 6 6
3 4 6
3 5 1
3 6 1
4 5 10
4 6 8
5 6 3

输出样例:

12

代码实现(C语言)

#include <stdio.h>
#define INF 10000
int Ne, Nv;
int map[1000][1000];

void InitMap();
void CreateMap();
int Prim();
int main()
{
    scanf("%d %d", &Nv, &Ne);

    InitMap();
    CreateMap();
    printf("%d", Prim());
    return 0;
}

void InitMap()
{
    for(int i=1; i<=Nv; i++)
        for(int j=1; j<=Nv; j++)
        {
            if(i == j)
                map[i][j] = 0;
            else
                map[j][i] = INF;
        }          
}

void CreateMap()
{
    for(int i=0; i<Ne; i++)
    {
        int c1, c2, cost;
        scanf("%d %d %d", &c1, &c2, &cost);
        map[c1][c2] = cost;
        map[c2][c1] = cost;
    }
}

int Prim()
{
    int low_cost[Ne+1], closest[Ne+1];
    int cost_sum=0, start=1; /* 把一号村子设为出发点 */
    for(int i=1; i<=Nv; i++)
    {
        low_cost[i] = map[start][i];
        closest[i] = start;
    }

    for(int i=1; i<=Nv; i++)
    {
        int min_cost = INF;
        int k = -1;
        for(int j=1; j<=Nv; j++)
        {
            if(low_cost[j] != 0 && low_cost[j] < min_cost)
            {
                min_cost = low_cost[j];
                k = j;
            }
        }
        if(k != -1)
        {
            low_cost[k] = 0;
            cost_sum += min_cost;
        }
        else
            break;
        
        for(int i=1; i<=Nv; i++)
        {
            if(map[k][i] != 0 && map[k][i] < low_cost[i])
            {
                low_cost[i] = map[k][i]; /* 更新最小值 */
                closest[i] = k;
            }
        }
    }
    int flag = 1;
    for(int i=1; i<=Nv; i++)
    {
        /* 判断有没有搜索完 */
        if(low_cost[i] != 0)
        {
            flag = 0;
            break;
        }
    }
    if(flag)
        return cost_sum;
    else
        return -1;
}
### 使用Kruskal算法解决公路村村通问题 #### 背景介绍 公路村村通问题是典型的最小生树(Minimum Spanning Tree, MST)问题之一。假设存在一组村庄以及连接这些村庄的道路本矩阵,目标是以最低的本修建道路使得所有村庄之能够互相连通。 Kruskal算法是一种经典的用于求解MST的方法[^1]。它的核心思想是从全局角度出发,在不形环的情况下逐步选择权值最小的边加入生树中,最终得到一棵总权重最小的生树[^2]。 --- #### Kruskal算法的具体应用过程 以下是利用Kruskal算法解决公路村村通问题的关键步骤: 1. **输入数据建模** 假设共有 \( n \) 个村庄和 \( m \) 条可能的道路,每条道路具有一定的建设费用作为权重。可以将此问题抽象一个无向加权图 \( G(V, E) \),其中顶点集合 \( V \) 示村庄,边集合 \( E \) 和对应的权重示各村庄之的潜在道路及其建设本。 2. **初始化并查集 (Union-Find)** 并查集被用来高效检测新选入的边是否会构回路。初始状态下,每个节点都属于独立的一个子集。每次功添加一条边时,需执行 `union` 操作来合并两个不同的子集[^3]。 3. **按权重排序所有边** 首先把所有的候选路径依据它们各自的造价从小到大排列好顺序以便后续逐一挑选最优选项。 4. **迭代选取合适的边构建MST** 对于排好序后的每一边依次考察: - 如果这条边两端别位于不同集合里,则将其纳入结果集中,并调用一次 union 合并操作; - 若发现两头已经处于同一组内则跳过该边以免造循环结构。 5. **终止条件** 当所选出的有效边数达到 \(|V|-1\) 即停止运算流程,此时所得即为满足题目需求的最佳解决方案——也就是所需铺设的所有路段组合起来形的那棵最小代价生树。 --- #### Python实现代码示例 下面给出一段基于上述原理编写而的Python程序片段演示如何运用克鲁斯卡尔方法处理此类实际场景中的最优化决策任务: ```python class UnionFind: def __init__(self, num_nodes): self.parent = list(range(num_nodes)) def find(self, u): if self.parent[u]!=u: self.parent[u]=self.find(self.parent[u]) return self.parent[u] def union(self,u,v): root_u=self.find(u) root_v=self.find(v) if root_u !=root_v : self.parent[root_u ]=root_v def kruskal(edges,nodes_count ): edges.sort(key=lambda edge :edge[2]) uf_set=UnionFind(nodes_count ) result_edges=[] for e in edges: node_a ,node_b,cost=e[:3] set_a=uf_set .find(node_a ) set_b=uf_set .find(node_b ) if(set_a!=set_b ): result_edges.append((node_a,node_b )) uf_set.union(set_a,set_b ) if(len(result_edges)==nodes_count-1 ):break total_cost=sum([e[-1]for e in result_edges ]) return {"edges":result_edges,"total_cost":total_cost} # Example usage with sample data representing villages and roads. villages_and_roads=[ ('A','B',7),('A','D',5), ('B','C',8),('B','D',9), ('C','E',5),('C','F',6), ('D','E',15),('D','G',6), ('E','F',8),('E','H',9), ('F','I',11),('G','H',10)] num_of_villages=len(set(sum(([list(pair[:-1])for pair in villages_and_roads]),[]))) solution=kruskal(villages_and_roads,num_of_villages) print(f"Selected Roads:{solution['edges']}\nTotal Cost={solution['total_cost']}") ``` --- #### 结果解释 运行以上脚本后会输出哪些具体线路应该建造才能达既定目的同时还保持整体花费最少的效果展示出来的同时也会告知总的预算数额是多少。 ---
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