上周末的蓝桥杯省模拟赛时最后一题是一道最小生成树的题目，因为恰好在慕课上刚看到这个地方，所以现学了 Prim 算法，解决了这个题目 (大概)，赛后就打算多琢磨琢磨这一类题目。题目链接
最小生成树问题，是指给定无向图 G=(V,E)，连接 G 中所有点，且边集是 E 的子集的树称为 G 的生成树 (Spanning Tree)，而权值最小的生成树称为最小生成树 (Minimal Spanning Tree，MST)。
一、Kruskal 算法#
Kruskal 算法易于编写，且效率很高
紫书 p356 描述如下：
Kruskal 算法的第一步是给所有边按照从小到大的顺序排列，这一步可以直接使用库函数 qsort 或者 sort。接下来从小到大依次考察每条边 (u, v)。
- 情况 1：u 和 v 在同一个连通分量中，那么加入 (u, v) 后会形成环，因此不能选择。
- 情况 2：如果 u 和 v 在不同的连通分量，那么加入 (u, v) 一定是最优的。 为什么呢？下面用反证法 —— 如果不加这条边能得到一个最优解 T, 则 T+(u, v) 一定有且只有一个环，而且环中至少有一条边 (u', v') 的权值大于或等于 (u, v) 的权值。删除该边后，得到的新树 T' = T + (u, v) - (u', v') 不会比 T 更差。因此，加入 (u, v) 不会比不加入差。
下面是伪代码：
把所有边(按权值)排序，记第i小的边为e[i](1 <= i < m)
初始化MST为空
初始化连通分量，让每个点自成一个独立的连通分量
for(int i = 0; i < m; i++) {
if(e[i].u 和 e[i].v 不在同一个连通分量) {
把边e[i]加入MST
合并e[i].u和e[i].v所在的连通分量
}
}
在上面的伪代码中，最关键的地方在于 “连通分量的查询与合并” ：需要知道任意两个点是否在同一连通分量中，还需要合并这两个连通分量。
有一种简介高效的算法可以用来处理这个问题 ——并查集
此处指路大佬解释：超有爱的并查集～
将每个连通分量看作一个集合，该集合包含了连通分量中的所有点。这些点两两相通，而具体的连通方式无关紧要。在图中，每个点都恰好属于一个连通分量，对应到集合表示中，即为每个元素恰好属于一个集合。换句话说，图的所有连通分量可以用若干个不相交集合来表示。
奉上自己的并查集板子
#include <iostream>
using namespace std;
#define div 1000000007
typedef long long ll;
const int maxn = 1001;
int fa[maxn];//
inline void init(int n) {
for (int i = 1; i <= n; i++)
fa[i] = i;
}
int find(int x) {//查询+路径压缩 把沿途的每个节点的父节点都设为根节点
return x == fa[x] ? x : (fa[x] = find(fa[x]));
}
inline void merge(int i, int j) {
fa[find(i)] = find(j);//前者的父节点设为后者
}
有了并查集之后，Kruskal 算法的完整代码便不难给出了。假设第 i 条边的两个端点序号和权值分别保存在 u [i]，v [i] 和 w [i] 中，而排序后第 i 小的边的序号保存在 r [i] 中 (间接排序，即排序的关键字是对象的 “代号”，而不是对象本身),p 为并查集
完整代码：#
int cmp(const int i, const int j) { return w[i] < w[j]; } //间接排序函数
int find(int x) { return p[x] == x ? x : p[x] = find(p[x])} //并查集的find
int Kruskal() {
int ans = 0;
for(int i = 0; i < n; i++) p[i] = i; //初始化并查集
for(int i = 0; i < m; i++) r[i] = i;
sort(r,r+m,cmp);
for(int i = 0; i < m; i++) {
int e = r[i];
int x = find(u[e]);//找出一个端点所在集合编号
int y = find(v[e]);//找出另一个端点所在集合编号
if(x != y) { //若在不同集合，合并
ans += w[e];
p[x] = y;
}
}
return ans;
}
练习题：#
题号 | 题目名称 (英文)| 备注 |
|--|--|--|--|
hdu1863| 畅通工程 | 最小生成树 板子题
hdu1879| 继续畅通工程 | 最小生成树 板子题
hdu1875| 畅通工程再续 | 最小生成树 板子题
洛谷 P3366| 【模板】最小生成树 | 最小生成树 板子题
1. hdu1863 畅通工程#
Problem Description
省政府 “畅通工程” 的目标是使全省任何两个村庄间都可以实现公路交通（但不一定有直接的公路相连，只要能间接通过公路可达即可）。经过调查评估，得到的统计表中列出了有可能建设公路的若干条道路的成本。现请你编写程序，计算出全省畅通需要的最低成本。
Input
测试输入包含若干测试用例。每个测试用例的第 1 行给出评估的道路条数 N、村庄数目 M (< 100)；随后的 N
行对应村庄间道路的成本，每行给出一对正整数，分别是两个村庄的编号，以及此两村庄间道路的成本（也是正整数）。为简单起见，村庄从 1 到 M 编号。当 N 为 0 时，全部输入结束，相应的结果不要输出。
Output
对每个测试用例，在 1 行里输出全省畅通需要的最低成本。若统计数据不足以保证畅通，则输出 “?”。
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int maxn = 105;
int N,M,cnt;
int u[maxn],v[maxn],w[maxn];
int r[maxn],fa[maxn];
bool cmp(const int r1, const int r2) {
return w[r1] < w[r2];
}
int find(int x) {
return fa[x] == x ? x : fa[x] = find(fa[x]);
}
int Kruskal() {
int ans = 0;
for(int i = 0; i < M; i++) fa[i] = i;//初始化并查集，让每个点自成一个连通分量
for(int i = 0; i < N; i++) r[i] = i;//存储边序号
sort(r, r+N, cmp);//将边从小到大按权值排序
for(int i = 0; i < N; i++) {
int e = r[i];
int x = find(u[e]);
int y = find(v[e]);
if(x != y) {
ans += w[e];
cnt++;
fa[x] = y;
}
}
return ans;
}
int main() {
while(cin >> N >> M) {
cnt = 0;
if(N == 0) break;
for(int i = 0; i < N; i++) {
cin >> u[i] >> v[i] >> w[i];
}
int ans = Kruskal();
if(cnt != M-1) cout << "?" << endl;
else cout << ans << endl;
}
return 0;
}
2.hdu1879 继续畅通工程#
这题相比上题来说，就将已经建好了的道路花费置为 0 即可，同时注意本题输入输出好像都不能用 cincout, 会超时。
Problem Description
省政府 “畅通工程” 的目标是使全省任何两个村庄间都可以实现公路交通（但不一定有直接的公路相连，只要能间接通过公路可达即可）。现得到城镇道路统计表，表中列出了任意两城镇间修建道路的费用，以及该道路是否已经修通的状态。现请你编写程序，计算出全省畅通需要的最低成本。
Input
测试输入包含若干测试用例。每个测试用例的第 1 行给出村庄数目 N (1< N < 100)；随后的 N (N-1)/2 行对应村庄间道路的成本及修建状态，每行给 4 个正整数，分别是两个村庄的编号（从 1 编号到 N），此两村庄间道路的成本，以及修建状态：1 表示已建，0 表示未建。
当 N 为 0 时输入结束。
Output
每个测试用例的输出占一行，输出全省畅通需要的最低成本。
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int maxn = 5008;
int fa[101];
int find(int x) {
return fa[x] == x ? x : fa[x] = find(fa[x]);
}
struct Edge {
public:
int u, v, w;
bool operator<(const Edge &a)const{
return w < a.w;
}
}E[maxn];
int main() {
int N;
while(scanf("%d", &N) != EOF) {
int ans = 0;
if(N == 0) break;
int M = N*(N-1)/2;
for(int i = 1; i <= M; ++i) {
int flag;
scanf("%d%d%d%d", &E[i].u, &E[i].v, &E[i].w, &flag);
if(flag) E[i].w = 0;
}
for(int i = 1; i <= N; ++i) fa[i] = i;//初始化并查集，让每个点自成一个连通分量
sort(E+1,E+1+M);//将边从小到大按权值排序
for(int i = 1; i <= M; ++i) {
int x = find(E[i].u);
int y = find(E[i].v);
if(x != y) {
fa[x] = y;
ans += E[i].w;
}
}
printf("%d\n",ans);
}
return 0;
}
3.hdu1875 畅通工程再续#
先输入所有顶点，再判断每两个顶点是否可以构成合适的边
Problem Description
相信大家都听说一个 “百岛湖” 的地方吧，百岛湖的居民生活在不同的小岛中，当他们想去其他的小岛时都要通过划小船来实现。现在政府决定大力发展百岛湖，发展首先要解决的问题当然是交通问题，政府决定实现百岛湖的全畅通！经过考察小组 RPRush 对百岛湖的情况充分了解后，决定在符合条件的小岛间建上桥，所谓符合条件，就是 2 个小岛之间的距离不能小于 10 米，也不能大于 1000 米。当然，为了节省资金，只要求实现任意 2 个小岛之间有路通即可。其中桥的价格为 100 元 / 米。
Input
输入包括多组数据。输入首先包括一个整数 T (T <= 200)，代表有 T 组数据。
每组数据首先是一个整数 C (C <= 100), 代表小岛的个数，接下来是 C 组坐标，代表每个小岛的坐标，这些坐标都是 0 <= x, y <= 1000 的整数。
Output
每组输入数据输出一行，代表建桥的最小花费，结果保留一位小数。如果无法实现工程以达到全部畅通，输出”oh!”.
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cmath>
using namespace std;
const int maxn = 5008;
typedef long long ll;
struct Point {
int x,y;
} V[101];
struct Edge {
public:
int u, v;
double w;
bool operator<(const Edge &a)const{
return w < a.w;
}
}E[maxn];
int fa[105];
int find(int x) {
return fa[x] == -1 ? x : fa[x] = find(fa[x]);
}
int main() {
int T;
scanf("%d", &T);
while(T--) {
int N;
scanf("%d", &N);
for(int i = 0; i < N; ++i) {
scanf("%d%d", &V[i].x, &V[i].y);
}
int k = 0;
for(int i = 0; i < N-1; ++i) {
for(int j = i+1; j < N; ++j) {
double d = sqrt( (V[i].x-V[j].x)*(V[i].x-V[j].x) +
(V[i].y-V[j].y)*(V[i].y-V[j].y) );
if (d <= 1000 && d >= 10) {
E[k].u = i;
E[k].v = j;
E[k].w = d*100;
k++;
}
}
}
for(int i = 0; i < N; ++i) fa[i] = -1;//初始化并查集，让每个点自成一个连通分量
sort(E,E+k);//将边从小到大按权值排序
double ans = 0;
int cnt = 0;
for(int i = 0; i < k; ++i) {
int x = find(E[i].u);
int y = find(E[i].v);
if(x != y) {
fa[x] = y;
ans += E[i].w;
cnt++;
}
}
if (cnt == N-1) printf("%.1f\n",ans);
else printf("oh!\n");
}
return 0;
}
4.洛谷 P3366【模板】最小生成树 #
板子题
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int maxm = 200000;
int fa[5005];//最大顶点数5000
int N,M,cnt;//顶点数 边数
struct edge {
int u,v,w;
bool operator<(const edge& a) const {
return w < a.w;
}
} E[maxm];//最大边数maxn
int find(int x) {
return fa[x] == -1 ? x : fa[x] = find(fa[x]);
}
int Kruskal() {
for(int i = 0; i < N; ++i) fa[i] = -1;
int ans = 0;
sort(E,E+M);
for(int i = 0; i < M; ++i) {
int x = find(E[i].u);
int y = find(E[i].v);
if(x != y) {
fa[x] = y;
ans += E[i].w;
cnt++;
}
}
if(cnt == N-1) return ans;
else return -1;
}
int main() {
scanf("%d%d", &N, &M);
for(int i = 0; i < M; ++i) {
scanf("%d%d%d", &E[i].u, &E[i].v,&E[i].w);
}
int ans = Kruskal();
if(ans == -1) printf("orz\n");
else printf("%d\n",ans);
return 0;
}
二、Prim 算法#
来自陈越姥姥的数据结构
Prim 算法基本思路 —— 从一个根节点开始，让一棵小树长大。与 Dijkstra 算法相近。
Dijkstra 算法伪代码：
void Dijkstra(Vertex s) {
while(1) {
V = 未收录顶点中dist最小者
if (这样的V不存在)
break;
collected[V] = true;//将V收录
for(V的每个邻接点W) {
if(collected[W] == false && dist[V] + E(V,W) < dist[W]) {
dist[W] = dist[V]+E<V,W>;
path[W] = V;
}
}
}
Prim 算法伪代码：
void Prim(Vertex s) {
while(1) {
V = 未收录顶点中dist最小者
if (这样的V不存在)
break;
将V收录进MST
for(V的每个邻接点W) {
if(W未被收录 && E(V,W) < dist[W]) {
dist[W] = E<V,W>;
parent[W] = V;
}
}
}
Prim 算法完整代码#
double edge[maxn][maxn];//存边的权值~
int vis[maxn];//该点是否已访问过
double dist[maxn];
double ans;
double Prim() {
for(int i = 2; i <= n; i++) {
dist[i] = edge[1][i];//初始化dist为根结点1到所有点的距离
}
vis[1] = 1;////收录初始点1 vis[i] == 0表示还未被收录
for(int i = 2; i <= n; i++) {
int min = INF;
int v = -1;
for(int j = 2; j <= n; j++) {//找v————未收录顶点中dist最小者
if(!vis[j] && dist[j] < min) {
min = dist[j];
v = j;
}
}
if(v != -1) {//找到了v~收入MST
vis[v] = 1;
ans += dist[v];
for(int j = 2;j <= n; j++) {//更新距离dist
if(!vis[j] && edge[v][j] < dist[j]) {//当这点未被访问且到任意一点的距离比现在到树的距离小就更新
dist[j] = edge[v][j];
}
}
}
}
return ans;
}