kruskal算法(最小生成树)

本文深入探讨了Kruskal算法,一种用于寻找加权连通图最小生成树的有效方法。文章详细介绍了算法的实现步骤,包括边集的创建与排序、使用并查集避免环路的形成,以及通过实例代码展示了算法的具体应用。

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1. kruskal:求加权连通图的最小生成树的算法

在含有n个顶点的连通图中选择n-1条边,构成一棵极小连通子图,并使该连通子图中n-1条边上权值之和达到最小,则称其为连通网的最小生成树

算法大体上的思路是根据给出的边集构成的连通图,能够选择其中的若干条生成一棵树,并且树的所有边的权重之和是最小的

需要经过下面的步骤:

① 根据给出的若干条边创建一个边集,因为需要选择权重最小的边那么需要对产生的边集进行排序

边的定义如下,需要对起始的边与结束的边使用泛型,所以需要在类的后面加上泛型的符号,由于涉及到边的排序,而边是一个对象所以需要实现类要实现Comparable接口并且规定接口的实体类这样在compareTo方法中传进去的实体类就是当前的实体类,在compareTo方法中自定义比较的规则,因为边涉及的无非是权重的问题,所以可以对权重这个属性进行排序

public class Edge<T> implements Comparable<Edge>{
	private T start;
	private T end;
	private int distance;
	public Edge(T start, T end, int distance){
		this.start = start;
		this.end = end;
		this.distance = distance;
	}
	
	public T getStart() {
		return start;
	}

	public void setStart(T start) {
		this.start = start;
	}

	public T getEnd() {
		return end;
	}

	public void setEnd(T end) {
		this.end = end;
	}

	public int getDistance() {
		return distance;
	}

	public void setDistance(int distance) {
		this.distance = distance;
	}

	@Override
	public int compareTo(Edge obj) {
		int targetDis = obj.getDistance();
		return this.distance > targetDis ? 1 : (this.distance == targetDis ? 0 : -1);
	}

    @Override
	public String toString() {
		return this.getStart() + "--->" + this.getEnd() + " : " + this.getDistance();
	}
}

② 创建了边集之后依次从权重最小的边的顶点开始选择,判断当前加入的边是否会构成连通图,这里就需要使用到并查集这个数据结构,对于一条边有起点与终点我们使用先查询这两个节点的父节点,加入父节点相同那么加入的这条点肯定会构成连通图应该舍弃掉,假如不同那么可以加入当前的边此时不构成连通图,当所加的边的数目等于节点的个数减1的时候那么这个时候说明最小的生成树已经生成了,退出循环即可

并查集的代码:

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class UnionFind {
	//并查集
	public static UFNode find(UFNode x) {
		UFNode p = x;
		Set<UFNode> set = new HashSet<UFNode>();
		while(p.parent != null){
			set.add(p);
			p = p.parent;
		}
        //把节点x上的所有节点都指向x的最根的那个节点
		for(UFNode node : set){
			node.parent = p;
		}
		return p;
	}

	public static void union(UFNode x, UFNode y) {
		find(y).parent = find(x);
	}
	
	public static class UFNode{
		UFNode parent;
	}
}

Kruskal代码:

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import 十二章_图.UnionFind.UFNode;
public class Kruskal {
	private List<Edge> edges;
	private int n;
	private Set<Edge> set = new HashSet<Edge>();
	private Map map  = new HashMap();
	public Kruskal(List<Edge> edges, int n){
		this.edges = edges;
		this.n = n;
		for(Edge edge : edges){
			UFNode node = new UnionFind.UFNode();
			map.put(edge.getStart(), new UnionFind.UFNode());
			map.put(edge.getEnd(), new UnionFind.UFNode());
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		List<Edge> edges = build();
		Kruskal list = new Kruskal(edges, 5);
		for(Edge edge : list.getT()){
			System.out.println(edge);
		}	
	}

	private Set<Edge> getT() {
		buildMST();
		return set;
	}
	
	private void buildMST() {
		//因为实现了Comparable接口所以可以自定义排序规则
		Collections.sort(edges);
		for(Edge edge : edges){
			if(!isOk(edge)) continue;
			set.add(edge);
			//当顶点数等于边数减1那么应该终止循环说明生成了最小的生成树了
			if(set.size() == n - 1) return;
		}
	}
	
	//使用并查集来实现功能
	private boolean isOk(Edge edge) {
		UnionFind.UFNode x = (UFNode) map.get(edge.getStart());
		UnionFind.UFNode y = (UFNode) map.get(edge.getEnd());
		if(UnionFind.find(x) != UnionFind.find(y)){
			UnionFind.union(x, y);
			return true;
		}
		return false;
	}

	@SuppressWarnings("unchecked")
	private static List<Edge> build() {
		List<Edge> list = new ArrayList<>();
		list.add(new Edge<String>("C", "D", 1));
	    list.add(new Edge<String>("C", "A", 1));
	    list.add(new Edge<String>("C", "E", 8));
	    list.add(new Edge<String>("A", "B", 3));
	    list.add(new Edge<String>("D", "E", 3));
	    list.add(new Edge<String>("B", "C", 5));
	    list.add(new Edge<String>("B", "E", 6));
	    list.add(new Edge<String>("B", "D", 7));
	    list.add(new Edge<String>("A", "D", 2));
	    list.add(new Edge<String>("A", "E", 9));
		return list;
	}
}

重写Edge的toString方法,最后的代码运行的输出结果是:

C--->D : 1
A--->B : 3
C--->A : 1
D--->E : 3

 

### Kruskal算法最小生成树C语言实现 Kruskal算法是一种用于寻找加权图中的最小生成树的有效方法。该算法通过逐步添加权重低且不会形成环路的边来构建最小生成树。 #### 数据结构定义 为了有效地执行Kruskal算法,通常会使用并查集(Union-Find)数据结构来检测和防止循环的发生。以下是必要的数据结构定义: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> // 定义一个联合体表示边 typedef struct { int src; int dest; int weight; } Edge; // 图的数据结构 typedef struct Graph { int V; // 节点数量 int E; // 边的数量 Edge* edge; // 所有边数组 } Graph; Graph* createGraph(int V, int E); int find(int parent[], int i); void Union(int parent[], int rank[], int x, int y); int compare(const void *a, const void *b); /// 创建一个新的图实例 Graph* createGraph(int V, int E) { Graph* graph = (Graph*) malloc(sizeof(Graph)); graph->V = V; graph->E = E; graph->edge = (Edge*) malloc(graph->E * sizeof(Edge)); return graph; } ``` #### 并查集操作函数 这些辅助函数实现了路径压缩启发式的查找以及按秩合并的操作,有助于提高效率。 ```c // 查找子节点所属集合代表元素,并做路径压缩优化 int find(int parent[], int i) { if (parent[i] == -1) return i; return parent[i] = find(parent, parent[i]); } // 合并两个不相交集合 void Union(int parent[], int rank[], int x, int y) { int xroot = find(parent, x); int yroot = find(parent, y); // 始终让较小rank成为根结点 if (rank[xroot] < rank[yroot]) parent[xroot] = yroot; else if (rank[xroot] > rank[yroot]) parent[yroot] = xroot; else { // 如果两者相同,则任意选其一作为新的父节点并将它的等级增加一层 parent[yroot] = xroot; rank[xroot]++; } } ``` #### 排序比较器 此部分提供了qsort所需的回调函数,以便按照每条边的成本升序排列所有的边。 ```c // qsort()使用的比较器:依据边成本从小到大排序 int compare(const void *a, const void *b) { Edge *e1 = (Edge *) a; Edge *e2 = (Edge *) b; return e1->weight > e2->weight ? 1 : -1; } ``` #### 主要逻辑流程控制 后,在主程序中调用上述组件完成整个过程。 ```c void KruskalMST(Graph *graph) { int V = graph->V; Edge result[V]; // 存储终的结果即构成MST的所有边 int e = 0; // 结果集中当前已处理过的边数计数器 int i = 0; // 迭代遍历原始输入边列表时所用索引变量 // 对所有边根据它们各自的cost属性值进行非降序重排 qsort(graph->edge, graph->E, sizeof(graph->edge[0]), compare); // 初始化各顶点所在连通分量信息表及其对应的高度记录向量 int *parent = (int *)malloc(V * sizeof(int)); int *rank = (int *)malloc(V * sizeof(int)); for (i = 0; i < V; ++i){ parent[i] = -1; rank[i] = 0; } // 遍历经过排序后的候选边序列尝试加入结果集直至达到所需规模为止 for(i=0;i<graph->E && e<V-1;++i){ Edge next_edge = graph->edge[i]; int x = find(parent, next_edge.src); int y = find(parent, next_edge.dest); if(x != y){ result[e++] = next_edge; Union(parent, rank, x, y); } } printf("Following are the edges in the constructed MST\n"); for (i = 0; i < e; ++i) printf("%d -- %d == %d\n",result[i].src,result[i].dest ,result[i].weight ); } ``` 以上就是基于C语言实现Kruskal算法的具体细节[^1]。
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