算法导论学习—— 23章 最小生成树

本文深入探讨了最小生成树的概念,介绍了Kruskal算法和Prim算法两种生成最小生成树的方法。通过贪心策略,逐步构建最小生成树,确保每一步添加的边都是安全的,最终形成整体的最小生成树。

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算法导论学习—— 23章 最小生成树

最小生成树的形成

采用贪心算法生成最小生成树。考虑这样一个集合 A A A,它是一个最小生成树的真子集。每次向 A A A中增加边,使得 A A A保持为一个最小生成树的真子集,直到加入一条边后 A A A也是一个最小生成树。我们称这样的边为安全边。
下面证明这样的定理:对于包含于一个最小生成树的边集合 A A A ( S , V − S ) (S,V-S) (SVS)是尊重 A A A的一个切割(A中的边都不横跨切割)。横跨切割的最小权值的边是 A A A的安全边。
证明如下:
对于横跨切割的最小权值边 ( u , v ) (u,v) (u,v),选取一个最小生成树 T T T,假设 ( u , v ) (u,v) (u,v)不在 T T T中。则在 T T T中必有一个横跨切割的边 ( x , y ) (x,y) (x,y),且 ( u , v ) (u,v) (u,v)的权值不大于 ( x , y ) (x,y) (x,y)。先构造边集合 T ′ = T − ( x , y ) ∪ ( u , v ) T'=T-{(x,y)}\cup{(u,v)} T=T(x,y)(u,v) T ′ T' T也是一个生成树,且 W ( T ′ ) = W ( T ) − w ( x , y ) + w ( u , v ) ≤ W ( T ) W(T')=W(T)-w(x,y)+w(u,v)\leq W(T) W(T)=W(T)w(x,y)+w(u,v)W(T)。则 T ′ T' T也是一个最小生成树。又 A ∈ T A\in T AT ( u , v ) ∉ A (u,v)\notin A (u,v)/A A ∈ T ′ A\in T' AT, A ∪ ( u , v ) ∈ T ′ A\cup{(u,v)}\in T' A(u,v)T,即 ( u , v ) (u,v) (u,v) A A A的安全边。
因此,每次将图作满足 A A A的划分,找到横跨切割的最小权值边,加入 A A A,直到 A A A是一个生成树,最小生成树即可构造完成。

Kruskal算法和Prim算法

Kruskal算法

该算法在所有的边中,依次寻找权值最小的边,如果加入该边后成环,说明该边不是横跨切割的边,继续寻找,直到加入该边后不成环,则找到安全边,加入 A A A中。重复以上过程,直到 A A A是一个生成树。

Kruskal

Prim算法

Prim算法先规定一个起始点,加入 A A A中,将 A A A中的点与其他点做切割,选取横跨划分的最小的边,加入 A A A中, A A A的节点集合更新。重复以上步骤直到 A A A是一个生成树。在实际操作中,对于每一个新加入 A A A的节点,考察它的所有边,更新可达点的最短距离,即可找到横跨切割的最小权值边。

Prim

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