The Unique MST-次小生成树

本文介绍了一种判断给定图的最小生成树是否唯一的算法方法,并提供了详细的实现步骤及代码示例。

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Given a connected undirected graph, tell if its minimum spanning tree is unique. 

Definition 1 (Spanning Tree): Consider a connected, undirected graph G = (V, E). A spanning tree of G is a subgraph of G, say T = (V', E'), with the following properties: 
1. V' = V. 
2. T is connected and acyclic. 

Definition 2 (Minimum Spanning Tree): Consider an edge-weighted, connected, undirected graph G = (V, E). The minimum spanning tree T = (V, E') of G is the spanning tree that has the smallest total cost. The total cost of T means the sum of the weights on all the edges in E'. 
Input
The first line contains a single integer t (1 <= t <= 20), the number of test cases. Each case represents a graph. It begins with a line containing two integers n and m (1 <= n <= 100), the number of nodes and edges. Each of the following m lines contains a triple (xi, yi, wi), indicating that xi and yi are connected by an edge with weight = wi. For any two nodes, there is at most one edge connecting them.
Output
For each input, if the MST is unique, print the total cost of it, or otherwise print the string 'Not Unique!'.
Sample Input
2
3 3
1 2 1
2 3 2
3 1 3
4 4
1 2 2
2 3 2
3 4 2
4 1 2
Sample Output
3
Not Unique!
判断最小生成树是不是唯一。
用求次小生成树的方法,如果求出来且总权重一样说明不唯一,否则,就是唯一,
没有求得也是不唯一。

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// Name        : POJ.cpp
// Author      : 
// Version     :
// Copyright   : Your copyright notice
// Description : Hello World in C++, Ansi-style
//============================================================================


#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <algorithm>
#include <string.h>
using namespace std;


/*
 * 次小生成树
 * 求最小生成树时,用数组Max[i][j]来表示MST中i到j最大边权
 * 求完后,直接枚举所有不在MST中的边,替换掉最大边权的边,更新答案
 * 点的编号从0开始
 */
const int MAXN=110;
const int INF=0x3f3f3f3f;
bool vis[MAXN];
int lowc[MAXN];
int pre[MAXN];
int Max[MAXN][MAXN];//Max[i][j]表示在最小生成树中从i到j的路径中的最大边权
bool used[MAXN][MAXN];
int Prim(int cost[][MAXN],int n)
{
    int ans=0;
    memset(vis,false,sizeof(vis));
    memset(Max,0,sizeof(Max));
    memset(used,false,sizeof(used));
    vis[0]=true;
    pre[0]=-1;
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        lowc[i]=cost[0][i];
        pre[i]=0;
    }
    lowc[0]=0;
    for(int i=1;i<n;i++)
    {
        int minc=INF;
        int p=-1;
        for(int j=0;j<n;j++)
            if(!vis[j]&&minc>lowc[j])
            {
                minc=lowc[j];
                p=j;
            }
        if(minc==INF)return -1;
        ans+=minc;
        vis[p]=true;
        used[p][pre[p]]=used[pre[p]][p]=true;
        for(int j=0;j<n;j++)
        {
            if(vis[j])Max[j][p]=Max[p][j]=max(Max[j][pre[p]],lowc[p]);
            if(!vis[j]&&lowc[j]>cost[p][j])
            {
                lowc[j]=cost[p][j];
                pre[j]=p;
            }
        }
    }
    return ans;
}
int ans;
int smst(int cost[][MAXN],int n)
{
    int Min=INF;
    for(int i=0;i<n;i++)
        for(int j=i+1;j<n;j++)
            if(cost[i][j]!=INF && !used[i][j])
            {
                Min=min(Min,ans+cost[i][j]-Max[i][j]);
            }
    if(Min==INF)return -1;//不存在
    return Min;
}
int cost[MAXN][MAXN];
int main()
{
    int T;
    int n,m;
    scanf("%d",&T);
    while(T--)
    {
        scanf("%d%d",&n,&m);
        int u,v,w;
        for(int i=0;i<n;i++)
            for(int j=0;j<n;j++)
            {
                if(i==j)cost[i][j]=0;
                else cost[i][j]=INF;
            }
        while(m--)
        {
            scanf("%d%d%d",&u,&v,&w);
            u--;v--;
            cost[u][v]=cost[v][u]=w;
        }
        ans=Prim(cost,n);
        if(ans==-1)
        {
            printf("Not Unique!\n");
            continue;
        }
        if(ans==smst(cost,n))printf("Not Unique!\n");
        else printf("%d\n",ans);
    }
    return 0;
}


### 关于最小生成树唯一性的理论知识 #### 最小生成树定义及其性质 对于带权无向连通图 \( G=(V,E) \),\( G \) 的所有生成树当中边的权值之和最小的生成树称为 \( G \) 的最小生成树(Minimum Spanning Tree, MST)。需要注意的是,最小生成树不一定唯一;也就是说,可能存在多棵不同的最小生成树具有相同的总权重[^2]。 #### 最小生成树唯一性条件 如果带权无向连通图中的每条边都拥有独一无二的权重,则该图存在唯一的最小生成树。这是因为,在构建过程中每次选取当前未加入到生成树集合中且权重最低的一条边时,由于不存在两条相同权重的候选边可供选择,因此最终形成的最小生成树结构必然固定不变。 另外一种情况是当给定图形恰好含有 \( |V|-1 \) 条边的时候,此时也只有一种方式形成一棵连接全部顶点而不构成回路的子图,即为唯一的最小生成树。 #### 非唯一情况下证明思路概述 假设在一个加权无向图中有两颗不同形态但同样满足最小代价要求的生成树 T1 和 T2 。那么在这两个解之间必定至少有一条公共路径 P ,因为它们都是覆盖整个顶点集 V 的连通组件。考虑沿着这条共享路径逐步替换非共有的部分直到两者完全一致为止: - 如果在整个转换过程里始终保持着新的中间状态仍然是合法的生成树,并且保持了原有的最优成本特性; - 或者能够找到某个时刻违反上述任一前提,则可以得出结论说原假设有误——实际上并不存在两种独立又同等优秀的解决方案。 然而值得注意的是,以上讨论仅适用于理想状况下的理论分析框架内有效。实际应用环境中可能会遇到更多复杂因素影响具体实例的表现形式。 ```python def is_unique_mst(graph): """ 判断一个有权重的无向连通图是否存在唯一的最小生成树 参数: graph (dict): 图的数据结构表示 {node: [(adjacent_node, weight)]} 返回: bool: 是否有唯一MST """ # 获取所有的边以及对应的权重 edges = [] for u in graph: for v, w in graph[u]: if u < v: # 只记录一次双向边 edges.append((w, u, v)) sorted_edges = sorted(edges) unique_weights = all(sorted_edges[i][0]!=sorted_edges[i+1][0] for i in range(len(sorted_edges)-1)) num_vertices = len(graph) exact_num_of_edges = len(edges)==num_vertices-1 return unique_weights or exact_num_of_edges ```
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