最小生成树算法有:Kruskal 算法和 Prim 算法。
首先明确关于图的几个概念:
- 连通图:在无向图中,若任意两个顶点 vi 与 vj 都有路径相通,则称该无向图为连通图。
- 强连通图:在有向图中,若任意两个顶点 vi 与 vj 都有路径相通,则称该有向图为强连通图。
- 连通网:在连通图中,若图的边具有一定的意义,每一条边都对应着一个数,称为权;权代表着连接两个顶点的代价,称这种连通图叫做连通网。
- 生成树:一个连通图的生成树是指一个连通子图,它含有图中全部 n 个顶点,但只有足以构成一棵树的 n-1 条边。(一颗有 n 个顶点的生成树有且仅有 n-1 条边,如果生成树中再添加一条边,则必定成环。)
- 最小生成树:在连通网的所有生成树中,所有边的代价和最小的生成树,称为最小生成树。
Kruskal 算法
也可以称为加边法,初始最小生成树边数为 0,每迭代一次就选择一条满足条件的最小代价边,加入到最小生成树的边集合里:
- 把图中的所有边按代价从小到大排序;
- 把 n 个顶点的图看成独立的 n 棵树组成的森林;
- 按权值从小到大选择边,所选的边连接的两个顶点 ui、vi 应属于两颗不同的树,则成为最小生成树的一条边,并将这两颗树合并作为一颗树。
- 重复步骤 3,直到所有顶点都在一颗树内或者有 n-1 条边为止。
时间复杂度(边数 e):O(e*log2e)
Prim 算法
也可以称为加点法,每次迭代选择代价最小的边对应的点,加入到最小生成树中。算法从某一个顶点 s 开始,逐渐长大覆盖整个连通网的所有顶点。
- 图的所有顶点集合为 V;初始令集合 u = {s}, v = V−u;
- 在两个集合 u、v 能够组成的边中,选择一条代价最小的边 (u0, v0),加入到最小生成树中,并把 v0 并入到集合 u 中。
- 重复上述步骤,直到最小生成树有 n-1 条边或者 n 个顶点为止。
由于不断向集合 u 中加点,所以最小代价边必须同步更新;需要建立一个辅助数组 edge[],用来维护集合 v 中每个顶点与集合 u 中最小代价边信息。每次 u 新加入一个点后,扫描它能到的点,假设它到某个点 i 的代价更小,就替换掉原先的 edge[i] 的代价值。
时间复杂度(节点数 v,边数 e):
邻接矩阵 O(v2)
邻接表 O(e*log2v)