最小生成树-普里姆算法和克鲁思卡尔算法

整理自《数据结构高分笔记》

1、普里姆算法

算法思想
普利姆算法的基本思想如下:从图中任意取出一个顶点,把它当成一棵树,然后从与这棵树相连接的变种选取一条最短(权值最小)的边,然后把这条边及其所连接的顶点也加入这棵树中,此时得到了一棵有两个顶点的树。然后从与这棵树相接的边中选取一条最短的边,并将这条边及其所连接的顶点加入这棵树中,得到一棵有三个顶点的树。以此类推,知道图中所有顶点都被并入树中为止。

用普利姆算法构造最小生成树的过程中,需要建立两个数组vset[] 和 lowcost[] 。vset[i]=1 表示顶点i已被并入生成树中,如果vset[i]=0则表示顶点i还未被并入生成树中,lowcost[]数组中存放当前生成树到剩余各顶点最短边的权值。

算法的执行过程如下:
从树中某一个顶点v0开始,构造生成树的算法执行过程如下:
1)将v0到其他顶点的所有边当作候选边。
2)重复以下步骤n-1次,使得其他n-1个顶点被并入生成树中:从候选边中挑选出权值最小的边输出,并将与该边另一端相接的顶点v并入生成树中。考查剩余顶点vi,如果(v,vi)的权值比lowcost[vi]小,则用(v,vi)的权值更新lowcost[vi]。

例子解析
比如下面的图中,我们首先从v1开始,与v1相连的顶点有v2,v3,v4,对应的边的权值分别为6,1,5,所以选择v1-v3,将v3并入生成树中,在所有与v1或者v3相连的边中,权值最小的是v3-v6,权值为4,所以将v6并入生成树中,重复上面的过程,直到所有的顶点都被并入最小生成树中。

时间复杂度
普利姆算法的时间复杂度只与图中的顶点数有关系,而与边数没有关系,所以适用于稠密图。

2、克鲁思卡尔算法

基本思想
克鲁斯卡尔算法的思想比较简单,首先将图中按边权值从小到大排序,然后从最小边开始扫描各边,并检测当前边是否为候选边,即是否该边的并入会构成回路,如果不构成回路,则将该边并入生成树中,直到所有边都被检测完为止。

例子解析
我们仍然用上面用到的图来解释克鲁斯卡尔算法的基本思想:
1)所有边中权值最小的边为v1-v3,所以将该边加入生成树中。
2)剩余最小的边为v4-v6,不构成回路,将该边加入生成树中。
3)剩余最小的边为v2-v5,不构成回路,将该边加入生成树中。
4)剩余最小的边为v3-v6,不构成回路,将该边加入生成树中。
5)剩余最小的边为v2-v3、v3-v4和v1-v4,v3-v4和v1-v4的加入都会构成回路,v2-v3加入不构成回路,将该边加入生成树中。
此时所有的点都已联通,最小生成树生成结束。

时间复杂度
克鲁斯卡尔算法的时间复杂度与边数e相关,而与顶点数基本无关,所以适用于稀疏图。

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