什麽是最小生成樹(Minimum Spanning Tree)

每兩個端點之間的邊都有一個權重值，最小生成樹是這些邊的一個子集。這些邊可以將所有端點連到一起，且總的權重最小

下圖所示的例子，最小生成樹是{cf, fa, ab} 3條邊

Kruskal算法

用到上一篇中介紹的不相交集合(並查集)

首先，定義V是端點的集合，E是邊的集合，A為要求的最小生成樹集合

• 初始A為空集合，每個端點都作為單獨的不相交集合
• 將所有邊根據其權重進行排序
• 對每條邊(v1, v2)，如果其兩個端點數據不同的不相交集，則將該邊加到集合A中，同時將v1和v2合並
• 最終得到的A即為最小生成樹

生成過程的示例圖

C++代碼示例

struct Edge {
    char vertex1;
    char vertex2;
    int weight;
    Edge(char v1, char v2, int w):vertex1(v1), vertex2(v2), weight(w) {}
};

struct Graph {
    vector<char> vertice;
    vector<Edge> edges;
};

unordered_map<char, char> PARENT;
unordered_map<char
 
, int> RANK;

char find(char vertex) {
    if (PARENT[vertex] == vertex) 
        return PARENT[vertex];
    else
        return find(PARENT[vertex]);    
}

void MST(Graph& g) {
    vector<Edge> res;

    for (auto c : g.vertice) {
        PARENT[c] = c;
        RANK[c] = 0;
    }

    sort(g.edges.begin(), g.edges.end(), [](Edge x, Edge y) {
 
return x.weight < y.weight;});   // O(E*log(E))

    for (Edge e : g.edges) {         // O(E)
        char root1 = find(e.vertex1);  // 最差O(E)，因為有記錄深度，Find可以認為很快
        char root2 = find(e.vertex2);
        if (root1 != root2) {
            res.push_back(e);
            if (RANK[root1] > RANK[root2]) {
                PARENT[root2] = root1;
                RANK[root1]++;
            } else {
                PARENT[root1] = root2;
                RANK[root2]++;
            }
        }
    }

    for (Edge e : res) {
        cout << e.vertex1 << " -- " << e.vertex2 << "  " << e.weight << endl;
    }
}

void Union( char vertex_1, char vertex_2 ) {
}

int main() {

    char t[] = {‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘d‘, ‘e‘, ‘f‘};

    Graph g;
    g.vertice = vector<char>(t, t + sizeof(t)/sizeof(t[0]));

    g.edges.push_back(Edge(‘a‘, ‘b‘, 4));  // 稀疏圖用鏈來表示(E = O(V)) 
    g.edges.push_back(Edge(‘a‘, ‘f‘, 2));  // 如果是密集圖(E = O(V*V)), 用矩陣來表示
    g.edges.push_back(Edge(‘f‘, ‘b‘, 5));  // 大部分感興趣的圖是稀疏的
    g.edges.push_back(Edge(‘c‘, ‘b‘, 6));
    g.edges.push_back(Edge(‘c‘, ‘f‘, 1));
    g.edges.push_back(Edge(‘f‘, ‘e‘, 4));
    g.edges.push_back(Edge(‘d‘, ‘e‘, 2));
    g.edges.push_back(Edge(‘d‘, ‘c‘, 3));

    MST(g);

    return 0;
}

算法實踐--最小生成樹(Kruskal算法)