Prim算法

本文介绍了一个使用Prim算法寻找图的最小生成树的具体实现。通过C语言编程,该算法逐步构建最小生成树,并输出每一步加入的边及其权重。最终,程序返回整个最小生成树的总权重。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define MAX 100
#define MAXCOST 0x7fffff
int graph[MAX][MAX];
int Prim(int graph[][MAX],int n)
{
    //lowcost[i]记录的是以结点i为终点的最小权边,初始化默认吧第一个结点加入到生成树
    //所以lowcost[i]=grahp[1][i],即最小边权值就是各个结点到1号结点的边权值

    //mst[i]记录的是lowcost[i]对应的起点,初始化mst[i]=1

    int lowcost[MAX];
    int mst[MAX];
    int i,j,minn,minid,sum=0;
    //默认选择1号节点加入生成树,从1号结点开始初始化
    for(i=2;i<=n;i++)
    {
        lowcost[i]=graph[1][i];
        mst[i]=1;
    }
    mst[1]=0;
    for(i=2;i<=n;i++)
    {
        minn=MAXCOST;
        minid=0;
        //找到满足条件的最小权值边的结点minid
        for(j=2;j<=n;j++)
        {
            //边权值较小且不再生成树中
            if(lowcost[j]<minn && lowcost[j]!=0)
            {
                minn=lowcost[j];
                minid=j;
            }
        }

        //输出生成树边的信息:起点,中点,权值
        printf("%c -> %c : %d\n",mst[minid]+'A'-1,minid+'A'-1,minn);
        //累加权值
        sum+=minn;
        lowcost[minid]=0;
        //更新当前结点minid到其他结点的权值
        for(j=2;j<=n;j++)
        {
            //发现更小的权值
            if(graph[minid][j]<lowcost[j])
            {
                lowcost[j]=graph[minid][j];
                mst[j]=minid;
            }

        }
    }
    //返回最小权值和
    return sum;
}
int main()
{
    int i,j,k,m,n;
    int x,y,cost;
    char chx,chy;
    //读取结点和边的数目
    scanf("%d%d",&m,&n);
    getchar();
    for(i=1;i<=m;i++)
    {
        for(j=1;j<=m;j++)
        {
            graph[i][j]=MAXCOST;
        }
    }
    //读取边信息
    for(k=1;k<=n;k++)
    {
        scanf("%c %c %d",&chx,&chy,&cost);
        getchar();
        i=chx-'A'+1;
        j=chy-'A'+1;
        graph[i][j]=cost;
        graph[j][i]=cost;
    }
    for(i=1;i<=m;i++)
    {
        for(int j=1;j<=m;j++)
            printf("%5d ",graph[i][j]);
        printf("\n");
    }
    //求解最小生成树
    cost=Prim(graph,m);
    printf("Total:%d\n",cost);
    return 0;
}
### Prim算法与Kruskal算法的比较 Prim算法和Kruskal算法都是用于求解加权连通图中最小生成树的经典算法。尽管它们的目标相同,但在实现方式、时间复杂度、空间复杂度以及适用场景等方面存在显著差异。 #### 时间复杂度 - **Prim算法**:在最基础的形式下,Prim算法的时间复杂度为 $O(n^2)$,其中 $n$ 表示顶点的数量。通过使用更高效的数据结构如二叉堆优化后,时间复杂度可以降低至 $O(E\log V)$,这里 $E$ 是边的数量,$V$ 是顶点的数量[^1]。 - **Kruskal算法**:Kruskal算法的时间复杂度主要受到排序所有边的影响,通常为 $O(E\log E)$ 或者等价于 $O(E\log V)$,因为边的数量最多可达 $V(V-1)/2$(对于完全图)[^1]。 #### 空间复杂度 - **Prim算法**:其空间复杂度主要取决于顶点数量,大约为 $O(V)$,因为它需要维护一个包含所有顶点的信息的数据结构来跟踪哪些顶点已经被加入到最小生成树中。 - **Kruskal算法**:其空间复杂度则与边数相关,约为 $O(E)$,主要用于存储所有的边及其权重信息。 #### 实现难度 - **Prim算法**:通常认为Prim算法比Kruskal算法更容易实现,尤其是当使用邻接矩阵作为数据结构时。它依赖于优先队列来选择下一个最近的顶点加入到已有的树中。 - **Kruskal算法**:相比之下,Kruskal算法的实现稍微复杂一些,因为它不仅需要对所有边按权重进行排序,还需要一种机制(如并查集)来检测和避免形成环路。 #### 适用场景 - **Prim算法**:更适合处理边稠密的图,即边的数量接近于顶点数量平方的情况。在这种情况下,Prim算法的性能优势更为明显[^3]。 - **Kruskal算法**:对于稀疏图而言,即边的数量远小于顶点数量平方的情况下,Kruskal算法的表现更加出色。由于只需要对所有边进行一次排序,因此在处理大规模稀疏图时效率更高。 综上所述,虽然两种算法都能有效地找到最小生成树,但根据具体的应用场景选择合适的算法是非常重要的。如果图是稠密的,那么Prim算法可能是更好的选择;而对于稀疏图,则推荐使用Kruskal算法。 ```python # 示例代码 - Kruskal算法的基本框架 class UnionFind: def __init__(self, size): self.parent = list(range(size)) def find(self, x): if self.parent[x] != x: self.parent[x] = self.find(self.parent[x]) return self.parent[x] def union(self, x, y): rootX = self.find(x) rootY = self.find(y) if rootX == rootY: return False self.parent[rootY] = rootX return True def kruskal(n, edges): uf = UnionFind(n) res = [] for u, v, weight in sorted(edges, key=lambda x: x[2]): if uf.union(u, v): res.append((u, v, weight)) if len(res) == n - 1: break return res ```
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