Quick Union

直觉描述

依旧是动态联通性问题。换一种方法来处理。

图1: 动态联通性问题-简单

Quick Union

与Quick Find一样,我们需要用到index。

针对节点,有[0, 1, ...9]作为index。

看看有哪些连接。

union(0, 1), union(1, 2), union(0, 5), union(1, 6), 
union(2, 7), union(3, 4), union(3, 8), union(4, 9)

Quick Find使用的方式是,将联通的节点index改为一样的,所以更新后的index可以分为若干组,每个组内的index是相同的,每个组表示相互联通的节点组合。组员间的关系可以看作是平级的

Quick Union使用的方式是,将联通的节点之间用父子关系串联起来,所以组员间的关系可以看作是树状的

为了方便起见,我们将每次union(m, n)定义为,m为,n为。每次union,都是用m所代表的组的顶部,即父节点,连接到n节点所代表的组的父节点之下,这样,m所代表的这一组有了新的顶部节点,也就是n那一组的父节点。整个过程如下面的示例分步进行:

  • union(0, 1)
    图2: union(0, 1)

    index更新为:
[1,1,2,3,4,5,6,7,8,9]
  • union(1, 2)
    图3: union(1, 2)

    index更新为:
[1,2,2,3,4,5,6,7,8,9]
  • union(0, 5)
    图4: union(0, 5)

    index更新为:
[1,2,5,3,4,5,6,7,8,9]
  • union(1, 6)
    图5: union(1, 6)

    index更新为:
[1,2,5,3,4,6,6,7,8,9]
  • union(2, 7)
    图6: union(2, 7)

    index更新为:
[1,2,5,3,4,6,7,7,8,9]
  • union(3, 4)
    图7: union(3, 4)

    index更新为:
[1,2,5,4,4,6,7,7,8,9]
  • union(3, 8)
    图8: union(3, 8)

    index更新为:
[1,2,5,4,8,6,7,7,8,9]
  • union(4, 9)
    图9: union(4, 9)

    index更新为:
[1,2,5,4,8,6,7,7,9,9]

接下来就很好办,如果我们想知道两个节点是否联通,只需要查询它们所属的顶端父节点是否相同就可以了。比如:

connected(2, 3) = false
2的顶端父节点是7,3的顶端父节点是9,因此它们不联通;

复杂度

接下来我们看一下Quick Union的复杂度。这种方法做了如下的事情,和Quick Find一样:

  • 给每一个节点初始index;
  • 记录union;
  • 查询联通性;
    代码如下:
public class QuickUnionUF
{
  private int[] id;
  public QuickUnionUF(int N)
  {
    id = new int[N];
    for (int i = 0; i < N; i++) id[i] = i;
  }
  private int root(int i)
  {
    while (i != id[i]) i = id[i];
    return i;
  }
  public boolean connected(int p, int q)
  {
    return root(p) == root(q);
  }
  public void union(int p, int q)
  {
    int i = root(p);
    int j = root(q);
    id[i] = j;
  }
}

给每一个节点初始index;

用到的是constructor中的for循环,即:

for (int i = 0; i < N; i++)
    id[i] = i;

很明显,这里访问了index对象N次。

记录union

如下,可以发现每一次union操作,都涉及到一个root方法

private int root(int i)
  {
    while (i != id[i]) i = id[i];
    return i;
  }
public void union(int p, int q)
  {
    int i = root(p);
    int j = root(q);
    id[i] = j;
  }

首先看看root这个方法,它用来查询一个节点的父节点。那么这个查询需要的计算量,取决于节点所在组的树的深度。比如0节点所在的组,深度为6,那么前面的计算步骤union(0, 5),需要的计算量如下:

// root(0)
// i = 0
while (0 != id[0] = 1) i = 1;
while (1 != id[1] = 2) i = 2;
while (2 = id[2] = 2)
  return 2
// root(5)
// i = 5
while (5 = id[5] = 5) 
  return 5
// id[0] = 5
可以发现,计算量 = 3(当前tree深度) + 1(当前tree深度) + 1 = 5

考虑到树的深度有可能为N,比较Quick Find和Quick Union,那么出现了如下的复杂度局面。

图10: 计算量比较

那也就是说,考虑到N次的union操作,Quick Union也需要N2的计算复杂度,依旧是个不好的方法,Quick Find无法规模化的问题依旧存在。

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