最小生成树
定义¶
在阅读下列内容之前,请务必阅读 图论相关概念 与 树基础 部分,并了解以下定义:
- 生成子图
- 生成树
我们定义无向连通图的 最小生成树 (Minimum Spanning Tree,MST)为边权和最小的生成树。
注意:只有连通图才有生成树,而对于非连通图,只存在生成森林。
Kruskal 算法¶
Kruskal 算法是一种常见并且好写的最小生成树算法,由 Kruskal 发明。该算法的基本思想是从小到大加入边,是个贪心算法。
前置知识¶
证明¶
思路很简单,为了造出一棵最小生成树,我们从最小边权的边开始,按边权从小到大依次加入,如果某次加边产生了环,就扔掉这条边,直到加入了
证明:使用归纳法,证明任何时候 K 算法选择的边集都被某棵 MST 所包含。
基础:对于算法刚开始时,显然成立(最小生成树存在)。
归纳:假设某时刻成立,当前边集为
如果
否则,
首先,
然后,
所以,
实现¶
算法虽简单,但需要相应的数据结构来支持……
具体来说,维护一个森林,查询两个结点是否在同一棵树中,连接两棵树。
抽象一点地说,维护一堆 集合 ,查询两个元素是否属于同一集合,合并两个集合。
伪代码:
其中,查询两点是否连通和连接两点可以使用并查集维护。
如果使用
Prim 算法¶
Prim 算法是另一种常见并且好写的最小生成树算法。该算法的基本思想是从一个结点开始,不断加点(而不是 Kruskal 算法的加边)。
证明¶
从任意一个结点开始,将结点分成两类:已加入的,未加入的。
每次从未加入的结点中,找一个与已加入的结点之间边权最小值最小的结点。
然后将这个结点加入,并连上那条边权最小的边。
重复
证明:还是说明在每一步,都存在一棵最小生成树包含已选边集。
基础:只有一个结点的时候,显然成立。
归纳:如果某一步成立,当前边集为
如果
否则考虑
首先,
然后,
因此,
实现¶
具体来说,每次要选择距离最小的一个结点,以及用新的边更新其他结点的距离。
其实跟 Dijkstra 算法一样,每次找到距离最小的一个点,可以暴力找也可以用堆维护。
堆优化的方式类似 Dijkstra 的堆优化,但如果使用二叉堆等不支持
暴力:
二叉堆:
Fib 堆:
伪代码:
注意:上述代码只是求出了最小生成树的权值,如果要输出方案还需要记录每个点的
Boruvka 算法¶
接下来介绍另一种求解最小生成树的算法——Boruvka 算法。该算法的思想是前两种算法的结合。它可以用于求解 边权互不相同 的无向图的最小生成森林。(无向连通图就是最小生成树。)
为了描述该算法,我们需要引入一些定义:
- 定义
E' E' V'\subseteq V u v E' - 定义一个连通块的 最小边 为它连向其它连通块的边中权值最小的那一条。
初始时,
- 计算每个点分别属于哪个连通块。将每个连通块都设为“没有最小边”。
- 遍历每条边
(u, v) u v u v - 如果所有连通块都没有最小边,退出程序,此时的
E' E'
下面通过一张动态图来举一个例子(图源自 维基百科 ):
当原图连通时,每次迭代连通块数量至少减半,算法只会迭代不超过
习题¶
最小生成树的唯一性¶
考虑最小生成树的唯一性。如果一条边 不在最小生成树的边集中 ,并且可以替换与其 权值相同、并且在最小生成树边集 的另一条边。那么,这个最小生成树就是不唯一的。
对于 Kruskal 算法,只要计算为当前权值的边可以放几条,实际放了几条,如果这两个值不一样,那么就说明这几条边与之前的边产生了一个环(这个环中至少有两条当前权值的边,否则根据并查集,这条边是不能放的),即最小生成树不唯一。
寻找权值与当前边相同的边,我们只需要记录头尾指针,用单调队列即可在
例题:POJ 1679
#include <algorithm>
#include <cstdio>
struct Edge {
int x, y, z;
};
int f[100001];
Edge a[100001];
int cmp(const Edge& a, const Edge& b) { return a.z < b.z; }
int find(int x) { return f[x] == x ? x : f[x] = find(f[x]); }
int main() {
int t;
scanf("%d", &t);
while (t--) {
int n, m;
scanf("%d%d", &n, &m);
for (int i = 1; i <= n; i++) f[i] = i;
for (int i = 1; i <= m; i++) scanf("%d%d%d", &a[i].x, &a[i].y, &a[i].z);
sort(a + 1, a + m + 1, cmp);
int num = 0, ans = 0, tail = 0, sum1 = 0, sum2 = 0;
bool flag = 1;
for (int i = 1; i <= m + 1; i++) {
if (i > tail) {
if (sum1 != sum2) {
flag = 0;
break;
}
sum1 = 0;
for (int j = i; j <= m + 1; j++) {
if (a[j].z != a[i].z) {
tail = j - 1;
break;
}
if (find(a[j].x) != find(a[j].y)) ++sum1;
}
sum2 = 0;
}
if (i > m) break;
int x = find(a[i].x);
int y = find(a[i].y);
if (x != y && num != n - 1) {
sum2++;
num++;
f[x] = f[y];
ans += a[i].z;
}
}
if (flag)
printf("%d\n", ans);
else
printf("Not Unique!\n");
}
return 0;
}
次小生成树¶
非严格次小生成树¶
定义¶
在无向图中,边权和最小的满足边权和 大于等于 最小生成树边权和的生成树
求解方法¶
- 求出无向图的最小生成树
T M - 遍历每条未被选中的边
e = (u,v,w) T u v e' = (s,t,w') T e e' M' = M + w - w' T' - 对所有替换得到的答案
M'
如何求
我们可以使用倍增来维护,预处理出每个节点的
严格次小生成树¶
定义¶
在无向图中,边权和最小的满足边权和 严格大于 最小生成树边权和的生成树
求解方法¶
考虑刚才的非严格次小生成树求解过程,为什么求得的解是非严格的?
因为最小生成树保证生成树中
解决的办法很自然:我们维护到
这个过程可以用倍增求解,复杂度
代码¶
#include <algorithm>
#include <iostream>
const int INF = 0x3fffffff;
const long long INF64 = 0x3fffffffffffffffLL;
struct Edge {
int u, v, val;
bool operator<(const Edge &other) const { return val < other.val; }
};
Edge e[300010];
bool used[300010];
int n, m;
long long sum;
class Tr {
private:
struct Edge {
int to, nxt, val;
} e[600010];
int cnt, head[100010];
int pnt[100010][22];
int dpth[100010];
// 到祖先的路径上边权最大的边
int maxx[100010][22];
// 到祖先的路径上边权次大的边,若不存在则为 -INF
int minn[100010][22];
public:
void addedge(int u, int v, int val) {
e[++cnt] = (Edge){v, head[u], val};
head[u] = cnt;
}
void insedge(int u, int v, int val) {
addedge(u, v, val);
addedge(v, u, val);
}
void dfs(int now, int fa) {
dpth[now] = dpth[fa] + 1;
pnt[now][0] = fa;
minn[now][0] = -INF;
for (int i = 1; (1 << i) <= dpth[now]; i++) {
pnt[now][i] = pnt[pnt[now][i - 1]][i - 1];
int kk[4] = {maxx[now][i - 1], maxx[pnt[now][i - 1]][i - 1],
minn[now][i - 1], minn[pnt[now][i - 1]][i - 1]};
// 从四个值中取得最大值
std::sort(kk, kk + 4);
maxx[now][i] = kk[3];
// 取得严格次大值
int ptr = 2;
while (ptr >= 0 && kk[ptr] == kk[3]) ptr--;
minn[now][i] = (ptr == -1 ? -INF : kk[ptr]);
}
for (int i = head[now]; i; i = e[i].nxt) {
if (e[i].to != fa) {
maxx[e[i].to][0] = e[i].val;
dfs(e[i].to, now);
}
}
}
int lca(int a, int b) {
if (dpth[a] < dpth[b]) std::swap(a, b);
for (int i = 21; i >= 0; i--)
if (dpth[pnt[a][i]] >= dpth[b]) a = pnt[a][i];
if (a == b) return a;
for (int i = 21; i >= 0; i--) {
if (pnt[a][i] != pnt[b][i]) {
a = pnt[a][i];
b = pnt[b][i];
}
}
return pnt[a][0];
}
int query(int a, int b, int val) {
int res = -INF;
for (int i = 21; i >= 0; i--) {
if (dpth[pnt[a][i]] >= dpth[b]) {
if (val != maxx[a][i])
res = std::max(res, maxx[a][i]);
else
res = std::max(res, minn[a][i]);
a = pnt[a][i];
}
}
return res;
}
} tr;
int fa[100010];
int find(int x) { return fa[x] == x ? x : fa[x] = find(fa[x]); }
void Kruskal() {
int tot = 0;
std::sort(e + 1, e + m + 1);
for (int i = 1; i <= n; i++) fa[i] = i;
for (int i = 1; i <= m; i++) {
int a = find(e[i].u);
int b = find(e[i].v);
if (a != b) {
fa[a] = b;
tot++;
tr.insedge(e[i].u, e[i].v, e[i].val);
sum += e[i].val;
used[i] = 1;
}
if (tot == n - 1) break;
}
}
int main() {
std::ios::sync_with_stdio(0);
std::cin.tie(0);
std::cout.tie(0);
std::cin >> n >> m;
for (int i = 1; i <= m; i++) {
int u, v, val;
std::cin >> u >> v >> val;
e[i] = (Edge){u, v, val};
}
Kruskal();
long long ans = INF64;
tr.dfs(1, 0);
for (int i = 1; i <= m; i++) {
if (!used[i]) {
int _lca = tr.lca(e[i].u, e[i].v);
// 找到路径上不等于 e[i].val 的最大边权
long long tmpa = tr.query(e[i].u, _lca, e[i].val);
long long tmpb = tr.query(e[i].v, _lca, e[i].val);
// 这样的边可能不存在,只在这样的边存在时更新答案
if (std::max(tmpa, tmpb) > -INF)
ans = std::min(ans, sum - std::max(tmpa, tmpb) + e[i].val);
}
}
// 次小生成树不存在时输出 -1
std::cout << (ans == INF64 ? -1 : ans) << '\n';
return 0;
}
瓶颈生成树¶
定义¶
无向图
性质¶
最小生成树是瓶颈生成树的充分不必要条件。 即最小生成树一定是瓶颈生成树,而瓶颈生成树不一定是最小生成树。
关于最小生成树一定是瓶颈生成树这一命题,可以运用反证法证明:我们设最小生成树中的最大边权为
例题¶
POJ 2395 Out of Hay
给出 n 个农场和 m 条边,农场按 1 到 n 编号,现在有一人要从编号为 1 的农场出发到其他的农场去,求在这途中他最多需要携带的水的重量,注意他每到达一个农场,可以对水进行补给,且要使总共的路径长度最小。 题目要求的就是瓶颈树的最大边,可以通过求最小生成树来解决。
最小瓶颈路¶
定义¶
无向图
性质¶
根据最小生成树定义,x 到 y 的最小瓶颈路上的最大边权等于最小生成树上 x 到 y 路径上的最大边权。虽然最小生成树不唯一,但是每种最小生成树 x 到 y 路径的最大边权相同且为最小值。也就是说,每种最小生成树上的 x 到 y 的路径均为最小瓶颈路。
但是,并不是所有最小瓶颈路都存在一棵最小生成树满足其为树上 x 到 y 的简单路径。
例如下图:
1 到 4 的最小瓶颈路显然有以下两条:1-2-3-4。1-3-4。
但是,1-2 不会出现在任意一种最小生成树上。
应用¶
由于最小瓶颈路不唯一,一般情况下会询问最小瓶颈路上的最大边权。
也就是说,我们需要求最小生成树链上的 max。
倍增、树剖都可以解决,这里不再展开。
Kruskal 重构树¶
定义¶
在跑 Kruskal 的过程中我们会从小到大加入若干条边。现在我们仍然按照这个顺序。
首先新建 n 个集合,每个集合恰有一个节点,点权为
每一次加边会合并两个集合,我们可以新建一个点,点权为加入边的边权,同时将两个集合的根节点分别设为新建点的左儿子和右儿子。然后我们将两个集合和新建点合并成一个集合。将新建点设为根。
不难发现,在进行
举个例子:
这张图的 Kruskal 重构树如下:
性质¶
不难发现,最小生成树上两个点之间的简单路径上边权最大值 = Kruskal 重构树上两点之间的 LCA 的权值。
也就是说,到点
我们在 Kruskal 重构树上找到
「LOJ 137」最小瓶颈路 加强版
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int MAX_VAL_RANGE = 280010;
int n,m,log2Values[MAX_VAL_RANGE + 1];
namespace TR
{
struct Edge
{
int to,nxt,val;
}e[400010];
int cnt,head[140010];
void addedge(int u,int v,int val=0)
{
e[++cnt]=(Edge){v,head[u],val};
head[u]=cnt;
}
int val[140010];
namespace LCA
{
int sec[280010],cnt;
int pos[140010];
int dpth[140010];
void dfs(int now,int fa)
{
dpth[now]=dpth[fa]+1;
sec[++cnt]=now;
pos[now]=cnt;
for(int i=head[now];i;i=e[i].nxt)
{
if(fa!=e[i].to)
{
dfs(e[i].to,now);
sec[++cnt]=now;
}
}
}
int dp[280010][20];
void init()
{
dfs(2*n-1,0);
for(int i=1;i<=4*n;i++)
{
dp[i][0]=sec[i];
}
for(int j=1;j<=19;j++)
{
for(int i=1;i+(1<<j)-1<=4*n;i++)
{
dp[i][j]=dpth[dp[i][j-1]]<dpth[dp[i+(1<<(j-1))][j-1]]?dp[i][j-1]:dp[i+(1<<(j-1))][j-1];
}
}
}
int lca(int x,int y)
{
int l=pos[x],r=pos[y];
if(l>r)
{
swap(l,r);
}
int k=log2Values[r - l + 1];
return dpth[dp[l][k]]<dpth[dp[r-(1<<k)+1][k]]?dp[l][k]:dp[r-(1<<k)+1][k];
}
}
}
using TR::addedge;
namespace GR
{
struct Edge
{
int u,v,val;
bool operator<(const Edge &other)const
{
return val<other.val;
}
}e[100010];
int fa[140010];
int find(int x)
{
return fa[x]==0?x:fa[x]=find(fa[x]);
}
void kruskal()
{
int tot=0,cnt=n;
sort(e+1,e+m+1);
for(int i=1;i<=m;i++)
{
int fau=find(e[i].u),fav=find(e[i].v);
if(fau!=fav)
{
cnt++;
fa[fau]=fa[fav]=cnt;
addedge(fau,cnt);
addedge(cnt,fau);
addedge(fav,cnt);
addedge(cnt,fav);
TR::val[cnt]=e[i].val;
tot++;
}
if(tot==n-1)
{
break;
}
}
}
}
int ans;
int A,B,C,P;
inline int rnd()
{
return A=(A*B+C)%P;
}
void initLog2()
{
for(int i = 2;i <= MAX_VAL_RANGE;i++) {
log2Values[i] = log2Values[i >> 1] + 1;
}
}
int main()
{
initLog2();
cin>>n>>m;
for(int i=1;i<=m;i++)
{
int u,v,val;
cin>>u>>v>>val;
GR::e[i]=(GR::Edge){u,v,val};
}
GR::kruskal();
TR::LCA::init();
int Q;
cin>>Q;
cin>>A>>B>>C>>P;
while(Q--)
{
int u=rnd()%n+1,v=rnd()%n+1;
ans+=TR::val[TR::LCA::lca(u,v)];
ans%=1000000007;
}
cout<<ans;
return 0;
}
NOI 2018 归程
首先预处理出来每一个点到根节点的最短路。
我们构造出来根据海拔的最大生成树。显然每次询问可以到达的节点是在最小生成树和询问点的最小边权
根据 Kruskal 重构树的性质,这些节点满足均在一棵子树内同时为其所有叶子节点。
也就是说,我们只需要求出 Kruskal 重构树上每一棵子树叶子的权值 min 就可以支持子树询问。
询问的根节点可以使用 Kruskal 重构树上倍增的方式求出。
时间复杂度
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