一、定义
最小生成树（Minimum Spanning Tree，MST）仅针对加权连通无向图。对于一副加权连通无向图，其生成树是它的一棵含有其所有顶点的无环连通子图。
最小生成树（MST）是指它的一棵权值最小的生成树。
1-1 最小生成树示例
API定义：
1-1 最小生成树的API定义
二、性质
最小生成树的两种主要算法（Prim算法和Kruskal算法）都基于切分定理。
最小生成树具有以下性质：
- 具体V个顶点的加权连通无向图，其最小生成树包含V个顶点，V-1条边。
- 切分定理
在一副加权连通无向图G中，将所有顶点分成两个非空不相交子集U和V，假设顶点u∈U、v∈V，则对于权值最小的边e=(u,v)，该图的最小生成树一定包含e。
证明（反证法）：
假设T是图G的最小生成树，且T不包含e=(u,v)。
①根据树的定义，T中必然存在一条路径f（假设f≠e），连接U和V（因为树中所有顶点必然是连通的）；
②将e加入树T，p和e必然构成一个回路（树中加入任意一条边都会构成回路）
③去掉回路中比e大的边，将生成比原T权重更小的生成树T'（与原假设中T是最小生成树矛盾）
2-1 切分定理
三、Prim算法实现
3.1 基本思想
Prim算法是为一棵生长中的树添加边，每次添加一条。
初始时，这棵树只有一个顶点，然后添加V-1条边，每次总是选择到树中任意顶点最短的边添加。
具体步骤：
- 将图中所有顶点分属两个集合U和V：
U：树顶点（已被选入生成树的顶点）
V：非树顶点（还未被选入生成树的顶点） - 选择任意一个顶点加入U
- 枚举U，找到U到V之间的一条最短路径，将这条最短路径对应的非树顶点加入树顶点。
- 重复步骤3（共V-1次），直到所有顶点加入树顶点。
3-1 Prim算法示例
3.2 源码实现
public class LazyPrimMST {
private double weight; // total weight of MST
private Queue<Edge> mst; // edges in the MST
private boolean[] marked; // marked[v] = true if v on tree
private MinPQ<Edge> pq; // edges with one endpoint in tree
public LazyPrimMST(EdgeWeightedGraph G) {
mst = new Queue<Edge>();
pq = new MinPQ<Edge>();
marked = new boolean[G.V()];
for (int v = 0; v < G.V(); v++) // run Prim from all vertices to
if (!marked[v]) prim(G, v); // get a minimum spanning forest
}
private void prim(EdgeWeightedGraph G, int s) {
scan(G, s);
while (!pq.isEmpty()) { // better to stop when mst has V-1 edges
Edge e = pq.delMin(); // smallest edge on pq
int v = e.either(), w = e.other(v); // two endpoints
if (marked[v] && marked[w]) continue; // lazy, both v and w already scanned
mst.enqueue(e); // add e to MST
weight += e.weight();
if (!marked[v]) scan(G, v); // v becomes part of tree
if (!marked[w]) scan(G, w); // w becomes part of tree
}
}
// add all edges e incident to v onto pq if the other endpoint has not yet been scanned
private void scan(EdgeWeightedGraph G, int v) {
marked[v] = true;
for (Edge e : G.adj(v))
if (!marked[e.other(v)]) pq.insert(e);
}
public Iterable<Edge> edges() {
return mst;
}
public double weight() {
return weight;
}
public static void main(String[] args) {
In in = new In(args[0]);
EdgeWeightedGraph G = new EdgeWeightedGraph(in);
LazyPrimMST mst = new LazyPrimMST(G);
for (Edge e : mst.edges()) {
StdOut.println(e);
}
StdOut.printf("%.5f\n", mst.weight());
}
}
3.3 算法优化
3.2 中对的Prim算法可以采用索引优先队列优化：
用索引优先队列保存各个非树顶点到树顶点集合的最短距离；一个distTo数组保存非树顶点v到树顶点集合的最短距离，初始时为正无穷大。
优化版本源码：
public class PrimMST {
// edgeTo保存最小生成树的边
private Edge[] edgeTo;
// distTo[v]表示非树顶点v到树顶点集合的最短距离，初始时为正无穷大
private double[] distTo;
private boolean[] marked;
// 索引优先队列，保存各个非树顶点到树顶点集合的最短距离
private IndexMinPQ<Double> pq;
public PrimMST(EdgeWeightedGraph G) {
edgeTo = new Edge[G.V()];
distTo = new double[G.V()];
marked = new boolean[G.V()];
pq = new IndexMinPQ<Double>(G.V());
for (int v = 0; v < G.V(); v++)
distTo[v] = Double.POSITIVE_INFINITY;
// run from each vertex to find minimum spanning forest
for (int v = 0; v < G.V(); v++)
if (!marked[v])
prim(G, v);
}
// run Prim's algorithm in graph G, starting from vertex s
private void prim(EdgeWeightedGraph G, int s) {
distTo[s] = 0.0;
pq.insert(s, distTo[s]);
while (!pq.isEmpty()) {
int v = pq.delMin(); // 找到一条最短切边对应的顶点v
marked[v] = true; // 加入树顶点集合
//对顶点v的邻边进行处理
for (Edge e : G.adj(v)) {
int w = e.other(v);
if (marked[w])
continue;
if (e.weight() < distTo[w]) { // 更新w到树顶点集合的最短距离
distTo[w] = e.weight();
edgeTo[w] = e;
if (pq.contains(w))
pq.decreaseKey(w, distTo[w]);
else
pq.insert(w, distTo[w]);
}
}
}
}
public Iterable<Edge> edges() {
Queue<Edge> mst = new Queue<Edge>();
for (int v = 0; v < edgeTo.length; v++) {
Edge e = edgeTo[v];
if (e != null) {
mst.enqueue(e);
}
}
return mst;
}
public double weight() {
double weight = 0.0;
for (Edge e : edges())
weight += e.weight();
return weight;
}
public static void main(String[] args) {
In in = new In(args[0]);
EdgeWeightedGraph G = new EdgeWeightedGraph(in);
PrimMST mst = new PrimMST(G);
for (Edge e : mst.edges()) {
StdOut.println(e);
}
StdOut.printf("%.5f\n", mst.weight());
}
}
3.4 性能分析
Prim算法的时间复杂度一般为O(ElgV)，采用索引优先队列优化后可以达到O(ElgE)。
四、Kruskal算法实现
4.1 基本思想
Kruskal算法的基本步骤如下：
- 首先按边的权值从小到达排序；
- 每次从剩余边中选出权值最小的，且顶点未连通的两个顶点，加入到生成树中；
- 直到加入V-1条边为止。
4-1 Kruskal算法示意图
4.2 源码实现
public class KruskalMST {
private static final double FLOATING_POINT_EPSILON = 1E-12;
private double weight; // weight of MST
private Queue<Edge> mst = new Queue<Edge>(); // edges in MST
public KruskalMST(EdgeWeightedGraph G) {
// more efficient to build heap by passing array of edges
MinPQ<Edge> pq = new MinPQ<Edge>();
for (Edge e : G.edges()) {
pq.insert(e);
}
// run greedy algorithm
UF uf = new UF(G.V());
while (!pq.isEmpty() && mst.size() < G.V() - 1) {
Edge e = pq.delMin();
int v = e.either();
int w = e.other(v);
if (!uf.connected(v, w)) { // v-w does not create a cycle
uf.union(v, w); // merge v and w components
mst.enqueue(e); // add edge e to mst
weight += e.weight();
}
}
// check optimality conditions
assert check(G);
}
/**
* Returns the edges in a minimum spanning tree (or forest).
* @return the edges in a minimum spanning tree (or forest) as
* an iterable of edges
*/
public Iterable<Edge> edges() {
return mst;
}
/**
* Returns the sum of the edge weights in a minimum spanning tree (or forest).
* @return the sum of the edge weights in a minimum spanning tree (or forest)
*/
public double weight() {
return weight;
}
// check optimality conditions (takes time proportional to E V lg* V)
private boolean check(EdgeWeightedGraph G) {
// check total weight
double total = 0.0;
for (Edge e : edges()) {
total += e.weight();
}
if (Math.abs(total - weight()) > FLOATING_POINT_EPSILON) {
System.err.printf("Weight of edges does not equal weight(): %f vs. %f\n", total, weight());
return false;
}
// check that it is acyclic
UF uf = new UF(G.V());
for (Edge e : edges()) {
int v = e.either(), w = e.other(v);
if (uf.connected(v, w)) {
System.err.println("Not a forest");
return false;
}
uf.union(v, w);
}
// check that it is a spanning forest
for (Edge e : G.edges()) {
int v = e.either(), w = e.other(v);
if (!uf.connected(v, w)) {
System.err.println("Not a spanning forest");
return false;
}
}
// check that it is a minimal spanning forest (cut optimality conditions)
for (Edge e : edges()) {
// all edges in MST except e
uf = new UF(G.V());
for (Edge f : mst) {
int x = f.either(), y = f.other(x);
if (f != e) uf.union(x, y);
}
// check that e is min weight edge in crossing cut
for (Edge f : G.edges()) {
int x = f.either(), y = f.other(x);
if (!uf.connected(x, y)) {
if (f.weight() < e.weight()) {
System.err.println("Edge " + f + " violates cut optimality conditions");
return false;
}
}
}
}
return true;
}
/**
* Unit tests the {@code KruskalMST} data type.
*
* @param args the command-line arguments
*/
public static void main(String[] args) {
In in = new In(args[0]);
EdgeWeightedGraph G = new EdgeWeightedGraph(in);
KruskalMST mst = new KruskalMST(G);
for (Edge e : mst.edges()) {
StdOut.println(e);
}
StdOut.printf("%.5f\n", mst.weight());
}
}
4.3 性能分析
Kruskal算法一般还是比Prim算法慢，因为在处理每条边时，除了两种算法都要完成的优先队列操作外，Kruskal算法还需要进行一次并查集的connect()操作。
五、各类最小生成树算法的比较
5-1 各类MST算法比较
