最小树形图（有向图的最小生成树）

最新推荐文章于 2022-01-29 21:19:01 发布

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本文介绍了有向图的最小生成树（最小树形图）的概念，区别了它与最短路径的区别，并提供了求解有向图最小生成树的步骤和示例。通过求最短弧集合、环的收缩等方法来逐步构建最小树形图。最后，还给出了一个具体的编程例题和AC代码。

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我们知道，无向图的最小生成树的求法有Krusal和prime算法，一个是归点一个是归边，在具体实现上Krusal可以用并查集实现，难度不大。

这里稍微区别一下最短路径和最小生成树（因为我又搞混了23333）
最小生成树能够保证首先是树（对于n个顶点的图只有n-1条边），其次保证任意两个顶点之间都可达，再次保证这棵树的边权值之和为最小，但不能保证任意两点之间是最短路径；
最短路径保证从源点S到目地点D的路径最小（有向图中不要求终点能到起点），不保证任意两个顶点都可达;
最小生成树是用最小代价遍历整个图中所有顶点，所有的权值和最小。而最短路径只是保证出发点到终点的路径和最小，不一定要经过所有顶点；
最小生成树是到一群点（所有点）的路径代价和最小，是一个n-1条边的树，最短路径是从一个点到另一个点的最短路径；
总之，最小生成树一定保证包含所有结点，而最短路径则不然。若题目要求必须每个点都必须经过，则是MST的问题；若只要求起点终点的最小消费，则是最短路径问题。

那么，对于有向图求最小生成树应该如何求呢？有向图就意味着可能有环，比如下面的图：
在这里插入图片描述
1、2结点形成一个环，应该删除哪一条边呢？如果从3出发，就会删掉2->1的边，如果从4出发，就会删掉1->2的边。那么如果把1、2合成一个点，所以3的权值更新为9-3=6，同理4的权值变为7-4 = 3。相当于变相删除不需要走的边。
有向图的最小生成树（最小树形图）求解步骤如下：

先求出最短弧集合E0；

对于节点1 = min{3,9},结点2 = min{4,7},结点4 = 1

如果E0不存在，则图的最小树形图也不存在；
如果E0存在且不具有环，则E0就是最小树形图；
如果E0存在但是存在有向环，则把这个环收缩成一个点u，形成新的图G1，然后对G1继续求其的最小树形图，直到求到图Gi，如果Gi不具有最小树形图，那么此图不存在最小树形图，如果Gi存在最小树形图，那么逐层展开，就得到了原图的最小树形图。

对于上面那张图，整个过程直观地看就是这样：
收缩环
收缩之后的最小树形图
展开收缩点如下，则权值和为1+3+3+4=11
下面是一个更科学的流程图：
在这里插入图片描述

附上代码：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define INF 0x7f7f7f7f
const int maxn = 105;
const int maxm = 100050;

int n, m;
int in[maxn];  //保存每个点的最小入权值
int pre[maxn];  //保存最小权值的父节点
int vis[maxn], id[maxn]; //vis是访问标识，id是重新分配的节点号
struct E{
    int from,to,dis;
}edge[maxm];

int dist_mst(int n,int m,int root){  //节点数、边数、根节点
    int ans = 0;
    while(1){
        for(int i = 0; i < n;++i)in[i] = INF;
        for(int i = 0; i < m;++i){
          int u = edge[i].from;
          int v = edge[i].to;
          //非根节点选出最小边，并记录父节点
          if(in[v] > edge[i].dis && u != v){
            in[v] = edge[i].dis;
            pre[v] = u;
            }
          }
          //若除了根节点外还有入度为0的结点，即孤立点，则没有最小生成树
          for(int i = 0; i < n;++i){
            if(i == root)continue;
            if(in[i] == INF)return -1;
          }
          memset(vis,-1,sizeof(vis));
          memset(id,-1,sizeof(id));
          int cnt = 0;
          in[root] = 0;
          for(int i = 0; i < n;++i){
            ans += in[i];
            int v = i;
            //每个不断向上搜寻父节点，要么找到根节点，要么找到自己，形成一个环
            //id[v] ！= -1意味着当前结点已经被重新分配过节点号了，即已经处理了自环
            while(vis[v] != i && id[v] == -1 && v != root){
                vis[v] = i;
                v = pre[v];
            }
            //vis[v] == i 即找到了自环，接下来进行缩点（在一个环内分配同一节点号）
            if(v != root && id[v] == -1){
                for(int u = pre[v];u != v;u = pre[u])id[u] = cnt;
                id[v] = cnt++;
            }
            }
            //没有使用cnt，说明已经没有环，结果已经保存在ans中
            if(cnt == 0)break;
            //为不在环中的分配节点号
            for(int i = 0; i < n;++i){
                if(id[i] == -1)id[i] = cnt++;
          }
          //更新边集节点号
          for(int i = 0; i < m;++i){
            int u = edge[i].from;
            int v = edge[i].to;
            edge[i].from = id[u];
            edge[i].to = id[v];
            if(id[u] != id[v])edge[i].dis -= in[v];
            //这里id[u] != id[v]说明  edges[i]这条边原来不在有向环中，
            //如果这条边指向了有向环，那么它的边权就要减少  in[v] 等价于整个环的边权减去in[v]
            //而如果没有指向有向环，说明它与这个有向环毫无关系，那么在之前的寻找自环缩点过程中已经把这条边的权值加上了，所以这里避免重复计算让这条边的权值减小in[v]变为0
          }
          n = cnt;
          root = id[root];
    }
    return ans;

}
int main(){
    int n,m;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for(int i=0;i<m;i++){
        scanf("%d%d%d",&edge[i].from,&edge[i].to,&edge[i].dis);
        if(edge[i].from==edge[i].to)
            edge[i].dis=INF;
    }
    int res=dist_mst(n,m,0);
    if(res==-1)
        printf("No\n");
    else
        printf("%d\n",res);
    return 0;
}

一道例题：POJ3164 Command Network
这道题套模板，但是要注意把int改为double。(POJ判题真的很严格orz)
附上AC代码：

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<math.h>
#define INF 0x3f3f3f3f
using namespace std;
const int maxn = 10001;
const int maxm = 100050;

int n, m;
double in[maxn];
int pre[maxn];
int vis[maxn], id[maxn];
struct E{
    int from,to;
    double dis;
}edge[maxm];
struct P{
    double x,y;
    double getDis(P p){
        return sqrt((x-p.x)*(x-p.x) + (y-p.y)*(y-p.y));
    }
}point[maxn];
double dist_mst(int n,int m,int root){
    double ans = 0;
    while(1){
        for(int i = 0; i< n;++i)in[i] = INF;
        for(int i = 0; i < m;++i){
          int u = edge[i].from;
          int v = edge[i].to;
          if(in[v] > edge[i].dis && u != v){
            in[v] = edge[i].dis;
            pre[v] = u;
            }
          }
          for(int i = 0; i < n;++i){
            if(i == root)continue;
            if(in[i] == INF)return -1;
          }
          memset(vis,-1,sizeof(vis));
          memset(id,-1,sizeof(id));
          int cnt = 0;
          in[root] = 0;
          for(int i = 0; i < n;++i){
            ans += in[i];
            int v = i;
            while(vis[v] != i && id[v] == -1 && v != root){
                vis[v] = i;
                v = pre[v];
            }
            if(v != root && id[v] == -1){
                for(int u = pre[v];u != v;u = pre[u])id[u] = cnt;
                id[v] = cnt++;
            }
            }

            if(cnt == 0)break;
            for(int i = 0; i < n;++i){
                if(id[i] == -1)id[i] = cnt++;
          }
          for(int i = 0; i < m;++i){
            int u = edge[i].from;
            int v = edge[i].to;
            edge[i].from = id[u];
            edge[i].to = id[v];
            if(id[u] != id[v])edge[i].dis -= in[v];
          }
          n = cnt;
          root = id[root];
    }
    return ans;

}
int main(){
    int n,m;
    while(~scanf("%d%d",&n,&m)){
    for(int i=0;i<n;i++){
        scanf("%lf%lf",&point[i].x,&point[i].y);
    }
    for(int i = 0; i < m;++i){
        int x,y;
        scanf("%d%d",&x,&y);
        edge[i].from = x-1;
        edge[i].to = y-1;
        if(edge[i].from != edge[i].to) edge[i].dis = point[x-1].getDis(point[y-1]);
        else edge[i].dis = INF;
    }
    double res=dist_mst(n,m,0);
    if(res==-1)
        printf("poor snoopy\n");
    else
        printf("%.2lf\n",res);
    }
    return 0;
}