最小生成树,最短路径

prim最小生成树算法

 

1.任意选取一个起始顶点,并将它添加到最小生成树中。

2.将所有含起始顶点的边按照权重次序添加到minheap(最小堆)中。

3.从最小堆中取出最小边,并将这条边和那个新顶点添加到最小生成树中。

4.我们往minheap中添加所有含新顶点且另一顶点不在最小生成树中的

5.重复这一过程直到最小生成树含有原始图中的所有顶点时结束。

 

 

 

public Network mstNetwork()

   {

      int x, y;

      int index;

      double weight;

      int[] edge = new int[2];

      Heap<Double> minHeap = new Heap<Double>();

      Network<T> resultGraph = new Network<T>();

 

      if (isEmpty() || !isConnected())

         return resultGraph;

 

      resultGraph.adjMatrix = new double[numVertices][numVertices];

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         for (int j = 0; j < numVertices; j++)

            resultGraph.adjMatrix[i][j] = Double.POSITIVE_INFINITY;

      resultGraph.vertices = (T[])(new Object[numVertices]);     

      

      boolean[] visited = new boolean[numVertices];

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         visited[i] = false;

     

      edge[0] = 0;

      resultGraph.vertices[0] = this.vertices[0];

      resultGraph.numVertices++;

      visited[0] = true;

 

      /** Add all edges, which are adjacent to the starting vertex,

          to the heap */

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

            minHeap.addElement(new Double(adjMatrix[0][i]));

 

      while ((resultGraph.size() < this.size()) && !minHeap.isEmpty())

      {

         /** Get the edge with the smallest weight that has exactly

             one vertex already in the resultGraph */

         do

         {

            weight = (minHeap.removeMin()).doubleValue();

            edge = getEdgeWithWeightOf(weight, visited);

         } while (!indexIsValid(edge[0]) || !indexIsValid(edge[1]));

 

         x = edge[0];

         y = edge[1];

         if (!visited[x])

            index = x;

         else

            index = y;

 

         /** Add the new edge and vertex to the resultGraph */

         resultGraph.vertices[index] = this.vertices[index];

         visited[index] = true;

         resultGraph.numVertices++;

 

         resultGraph.adjMatrix[x][y] = this.adjMatrix[x][y];

         resultGraph.adjMatrix[y][x] = this.adjMatrix[y][x];

 

         /** Add all edges, that are adjacent to the newly added vertex,

             to the heap */

         for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         {

            if (!visited[i] && (this.adjMatrix[i][index] <

                                Double.POSITIVE_INFINITY))

            {

               edge[0] = index;

               edge[1] = i;

               minHeap.addElement(new Double(adjMatrix[index][i]));

            }

         }

      }

      return resultGraph;

   }

 

最短路径:

 

A:两个顶点之间的最小边数

 

 

将广度优先遍历算法转变成寻找最短路径的算法

在遍历期间为每个顶点多存储两个信息

1.  从起始点到本顶点的路径长度,以及本顶点的前驱顶点

2.  起始顶点到本顶点的长度。

 

接着修改循环,使得当抵达目标顶点时循环终止,最短路径数就是从起始顶点到目标顶点前驱的路径长度再加1;如果要输出最短路径上的顶点,只需沿着前驱链回溯即可。

protected Iterator<Integer> iteratorShortestPathIndices

                              (int startIndex, int targetIndex)

   {

      int index = startIndex;

      int[] pathLength = new int[numVertices];

      int[] predecessor = new int[numVertices];

      LinkedQueue<Integer> traversalQueue = new LinkedQueue<Integer>();

      ArrayUnorderedList<Integer> resultList =

                                  new ArrayUnorderedList<Integer>();

 

      if (!indexIsValid(startIndex) || !indexIsValid(targetIndex) ||

                                       (startIndex == targetIndex))

         return resultList.iterator();

 

      boolean[] visited = new boolean[numVertices];

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         visited[i] = false;

     

      traversalQueue.enqueue(new Integer(startIndex));

      visited[startIndex] = true;

      pathLength[startIndex] = 0;

      predecessor[startIndex] = -1;

 

      while (!traversalQueue.isEmpty() && (index != targetIndex))

      {

         index = (traversalQueue.dequeue()).intValue();

 

         /** Update the pathLength for each unvisited vertex adjacent

             to the vertex at the current index. */

         for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         {

            if (adjMatrix[index][i] && !visited[i])

            {

               pathLength[i] = pathLength[index] + 1;

               predecessor[i] = index;

               traversalQueue.enqueue(new Integer(i));

               visited[i] = true;

            }

         }

      }

      if (index != targetIndex)  // no path must have been found

         return resultList.iterator();

 

      LinkedStack<Integer> stack = new LinkedStack<Integer>();

      index = targetIndex;

      stack.push(new Integer(index));

      do

      {

         index = predecessor[index];

         stack.push(new Integer(index));

      } while (index != startIndex);

     

      while (!stack.isEmpty())

         resultList.addToRear(((Integer)stack.pop()));

 

      return resultList.iterator();

   }

 

B:加权图的最小路径

使用一个minheap或优先队列来存储顶点,基于总权重(从起始顶点到本顶点的权重和)来衡量顶点对。这样我们总是能优先沿着最便宜的路径来游历图。

对每个顶点,都必须存储该顶点的标签,从起始顶点到本顶点的最便宜的路径的权重,路径上本顶点的前驱。在minheap中将存储顶点,对每条已经遇到但尚未游历的候选路径来权衡顶点对。从minheap取出顶点的时候,会权衡取自minheap的顶点对;如果遇到一个顶点的权重小于目前顶点中已存储的权重,则更新路径的代价。

 

protected Iterator<Integer> iteratorShortestPathIndices

                              (int startIndex, int targetIndex)

   {

      int index;

      double weight;

      int[] predecessor = new int[numVertices];

      Heap<Double> traversalMinHeap = new Heap<Double>();

      ArrayUnorderedList<Integer> resultList =

                                  new ArrayUnorderedList<Integer>();

      LinkedStack<Integer> stack = new LinkedStack<Integer>();

 

      int[] pathIndex = new int[numVertices];

      double[] pathWeight = new double[numVertices];

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         pathWeight[i] = Double.POSITIVE_INFINITY;

 

      boolean[] visited = new boolean[numVertices];

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         visited[i] = false;

 

      if (!indexIsValid(startIndex) || !indexIsValid(targetIndex) ||

                       (startIndex == targetIndex) || isEmpty())

         return resultList.iterator();

 

      pathWeight[startIndex] = 0;

      predecessor[startIndex] = -1;     

      visited[startIndex] = true;

      weight = 0;

 

      /** Update the pathWeight for each vertex except the

          startVertex. Notice that all vertices not adjacent

          to the startVertex  will have a pathWeight of

          infinity for now. */

      for (int i = 0; i < numVertices; i++)

      {

         if (!visited[i])

         {

            pathWeight[i] = pathWeight[startIndex] +

                            adjMatrix[startIndex][i];

            predecessor[i] = startIndex;

            traversalMinHeap.addElement(new Double(pathWeight[i]));

         }

      }

 

      do

      {

         weight = (traversalMinHeap.removeMin()).doubleValue();

         traversalMinHeap = new Heap<Double>();

         if (weight == Double.POSITIVE_INFINITY)  // no possible path

            return resultList.iterator();

         else

         {

            index = getIndexOfAdjVertexWithWeightOf(visited, pathWeight,

                                                    weight);

            visited[index] = true;

         }

 

         /** Update the pathWeight for each vertex that has has not been

             visited and is adjacent to the last vertex that was visited.

             Also, add each unvisited vertex to the heap. */

         for (int i = 0; i < numVertices; i++)

         {

            if (!visited[i])

            {

               if((adjMatrix[index][i] < Double.POSITIVE_INFINITY) &&

                  (pathWeight[index] + adjMatrix[index][i]) < pathWeight[i])

               {

                  pathWeight[i] = pathWeight[index] + adjMatrix[index][i];

                  predecessor[i] = index;

               }       

               traversalMinHeap.addElement(new Double(pathWeight[i]));

            }

         }

      } while (!traversalMinHeap.isEmpty() && !visited[targetIndex]);

 

      index = targetIndex;

      stack.push(new Integer(index));

      do

      {

         index = predecessor[index];

         stack.push(new Integer(index));

      } while (index != startIndex);

     

      while (!stack.isEmpty())

         resultList.addToRear((stack.pop()));

 

      return resultList.iterator();

   }

<think>首先,用户的问题是:“我想了解最小生成树最短路径的区别 请问最小生成树最短路径的区别”。这是一个常见的问题,需要清晰地解释这两个概念的区别。 用户的引用提供了背景: - 引用[1]:提到最小生成树(MST)、最短路径树(SPT),以及最短路径算法如Dijkstra、Floyd、Bellman-Ford、SPFA。 - 引用[2]:提到图的应用,包括最小生成树最短路径、有向无环图,并描述了Prim算法最小生成树)中的步骤。 我需要基于这些引用和我的知识来回答。用户要“尽可能多的参考用户上一次的问题和你的回答”,但在这个上下文中,这是第一个交互,所以没有上一次的回答。用户说“参考站内引用”,所以我应该整合引用中的信息。 关键点: - **最小生成树(MST)**:一个连通无向图的生成树,是连接所有顶点的树,并且具有小的总边。常见算法有Prim和Kruskal。 - **最短路径树(SPT)**:从一个源点出发,到图中所有其他顶点的最短路径构成的树。常见算法有Dijkstra(用于非负重)和Bellman-Ford(用于可能有负重)。 区别: 1. **目标不同**: - MST:连接所有顶点,总小。不需要指定源点;目标是整个树的小。 - 最短路径树:从一个源点到其他点的路径长度小;目标是路径长度(边之和)小。 2. **结构不同**: - MST:一棵树,覆盖所有顶点,无环。 - 最短路径树:也是一棵树,但它是从一个源点出发的最短路径集合。 3. **算法不同**: - MST:Prim算法(基于顶点)、Kruskal算法(基于边)。 - 最短路径:Dijkstra算法(单源,非负重)、Bellman-Ford(单源,可能有负重)、Floyd-Warshall(所有对最短路径)。 从引用中: - 引用[1]:强调了最短路径树和算法。 - 引用[2]:描述了Prim算法最小生成树)。 我需要结构化回答: - 由于用户请了区别,我应该提供一个对比表或清晰的列表。 - 确保使用中文,因为系统指令是“使用中文回答”。 - 遵循系统级指令:行内数学表达式用$...$,独立公式用$$...$$并单独成段。 - 在回答末尾生成相关问题(§§相关问题§§)。 回答结构: 1. **介绍概念**:简要定义最小生成树最短路径树。 2. **关键区别**:列出目标、算法、适用场景等区别。 3. **整合引用**:自然地添加引用标识,如[^1]、[^2],在相关段落末尾。 4. **生成相关问题**:在回答结束时,基于主题生成2-3个相关问题。 确保LaTeX语法正确: - 例如,提到重时,可以用$w(e)$表示边。 - 独立公式:如果有公式,单独成段。 相关问题: - 根据主题,生成如: 1. 最小生成树的应用场景有哪些? 2. 最短路径算法在现实世界中的应用。 3. Prim算法和Kruskal算法的比较。 后,引用标识: - 在回答中,提到引用内容时添加[^1]或[^2]。 完整回答草稿: - 开头:介绍问题。 - 定义最小生成树(MST)。 - 定义最短路径树(SPT)。 - 区别:表格或列表形式。 - 结束:相关问题。 区别点: - 目标:MST是全局重树;SPT是从源点的最短路径。 - 算法:MST用Prim/Kruskal;SPT用Dijkstra等。 - 输出:MST是树;SPT是树或路径。 - 重:MST关注总重;SPT关注路径重。 - 源点:MST无源点;SPT有源点。 </think>### 最小生成树最短路径的区别 最小生成树(Minimum Spanning Tree, MST)和最短路径树(Shortest Path Tree, SPT)是图论中的两个基本概念,常用于网络优化和算法设计中。虽然它们都涉及重图的边小化,但目标、算法和应用场景有显著差异。我将一步步解释它们的区别,确保内容清晰易懂。 #### 1. **定义和核心目标** - **最小生成树(MST)**: 在一个连通的、带重的无向图中,最小生成树是一棵覆盖所有顶点的树(即无环),并且其所有边的重之和小。它不指定起始点,而是全局优化整个图的连接成本。例如,在城市道路网络中,MST 可以用于设计小成本的道路修建计划,确保所有城市连通且总建设费用低。 数学上,对于一个图 $G=(V,E)$,MST 满足: $$ \sum_{e \in T} w(e) = \min_{\text{所有生成树 } T} $$ 其中 $w(e)$ 表示边 $e$ 的重[^2]。 - **最短路径树(SPT)**: 从一个指定的源点(source vertex)出发,最短路径树是图的路由结构,其中每条路径是从源点到其他顶点的最短路径(边之和小)。SPT 专注于单个源点的路径,而不是全局重。例如,在导航系统中,SPT 可以计算从一个城市到所有其他城市的驾驶路线。 数学上,给定源点 $s$,SPT 确保对于每个顶点 $v$,路径长度 $d(s,v)$ 小: $$ d(s,v) = \min_{\text{路径 } P_{s \to v}} \sum_{e \in P_{s \to v}} w(e) $$ 常见算法如 Dijkstra 适用于非负重,而 Bellman-Ford 可处理负重[^1]。 #### 2. **关键区别对比** 下表总结了最小生成树最短路径树的主要区别: | 特征 | 最小生成树(MST) | 最短路径树(SPT) | |---------------------|--------------------------------------------|---------------------------------------------| | **核心目标** | 全局小化所有边的总重,连接所有顶点。 | 从一个源点出发,小化到每个顶点的路径长度。 | | **指定源点** | 无特定源点;关注整个图的连通性。 | 必须指定一个源点;起点固定。 | | **输出结构** | 一棵树,覆盖所有顶点且无环。 | 一棵树,从源点派生出的最短路径集合。 | | **重处理** | 优化总重之和;边可正可负,但算法通常假设非负。 | 优化路径重之和;边可为负(但算法如 Bellman-Ford 可处理)。 | | **算法示例** | Prim 算法(基于顶点贪心)[^2]、Kruskal 算法(基于边排序)。 | Dijkstra 算法(非负重)[^1]、Bellman-Ford(负重)。 | | **时间复杂度** | Prim:$O(|E| + |V| \log |V|)$(使用优先队列);Kruskal:$O(|E| \log |V|)$。 | Dijkstra:$O(|E| + |V| \log |V|)$;Bellman-Ford:$O(|V| |E|)$。 | | **应用场景** | 网络设计(如通信网布局、电网优化),以确保整体成本低。 | 路由规划(如 GPS 导航、数据传输),针对单个起点的路径。 | #### 3. **示例说明** 考虑一个简单的带图(顶点:A、B、C;边:A-B 重 1、A-C 重 2、B-C 重 3): - **MST 示例**: 最小生成树可能选择边 A-B 和 A-C(总重 $1 + 2 = 3$),因为它覆盖所有顶点且小。忽略 B-C 边以保持无环。 - **SPT 示例**: 假设源点为 A,最短路径树计算 A 到 B 的最短路径(长度为 1),A 到 C 的最短路径(长度为 2)。如果源点为 C,路径会不同(如 C 到 A 长度为 2)。 本质区别在于:MST 追“整体连接小成本”,而 SPT 追“从一点出发的快捷径”[^1][^2]。 #### 4. **为什么需要区分?** - MST 适用于全局优化问题,如基础设施构建(小化总长度或成本)。 - SPT 适用于局部优化问题,如实时导航(快速响应起点查询)。 在图算法中,错误混淆两者可能导致次优解,例如使用 MST 代替 SPT 在导航中会忽略源点影响,导致路径
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