Prim 最小生成树算法
Prim 算法是一种解决最小生成树问题(Minimum Spanning Tree)的算法。和 Kruskal 算法类似,Prim 算法的设计也是基于贪心算法(Greedy algorithm)。
Prim 算法的思想很简单,一棵生成树必须连接所有的顶点,而要保持最小权重则每次选择邻接的边时要选择较小权重的边。Prim 算法看起来非常类似于单源最短路径 Dijkstra 算法,从源点出发,寻找当前的最短路径,每次比较当前可达邻接顶点中最小的一个边加入到生成树中。
例如,下面这张连通的无向图 G,包含 9 个顶点和 14 条边,所以期待的最小生成树应包含 (9 - 1) = 8 条边。
创建 mstSet 包含到所有顶点的距离,初始为 INF,源点 0 的距离为 0,{0, INF, INF, INF, INF, INF, INF, INF, INF}。
选择当前最短距离的顶点,即还是顶点 0,将 0 加入 MST,此时邻接顶点为 1 和 7。
选择当前最小距离的顶点 1,将 1 加入 MST,此时邻接顶点为 2。
选择 2 和 7 中最小距离的顶点为 7,将 7 加入 MST,此时邻接顶点为 6 和 8。
选择 2, 6, 8 中最小距离的顶点为 6,将 6 加入 MST,此时邻接顶点为 5。
重复上面步骤直到遍历完所有顶点为止,会得到如下 MST。
C# 实现 Prim 算法如下。Prim 算法可以达到 O(ElogV) 的运行时间,如果采用斐波那契堆实现,运行时间可以减少到 O(E + VlogV),如果 V 远小于 E 的话,将是对算法较大的改进。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq; namespace GraphAlgorithmTesting
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Graph g = new Graph();
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , );
g.AddEdge(, , ); // sorry, this is an undirect graph,
// so, you know that this is not a good idea.
List<Edge> edges = g.Edges
.Select(e => new Edge(e.End, e.Begin, e.Weight))
.ToList();
foreach (var edge in edges)
{
g.AddEdge(edge.Begin, edge.End, edge.Weight);
} Console.WriteLine();
Console.WriteLine("Graph Vertex Count : {0}", g.VertexCount);
Console.WriteLine("Graph Edge Count : {0}", g.EdgeCount);
Console.WriteLine(); List<Edge> mst = g.Prim();
Console.WriteLine("MST Edges:");
foreach (var edge in mst.OrderBy(e => e.Weight))
{
Console.WriteLine("\t{0}", edge);
} Console.ReadKey();
} class Edge
{
public Edge(int begin, int end, int weight)
{
this.Begin = begin;
this.End = end;
this.Weight = weight;
} public int Begin { get; private set; }
public int End { get; private set; }
public int Weight { get; private set; } public override string ToString()
{
return string.Format(
"Begin[{0}], End[{1}], Weight[{2}]",
Begin, End, Weight);
}
} class Graph
{
private Dictionary<int, List<Edge>> _adjacentEdges
= new Dictionary<int, List<Edge>>(); public Graph(int vertexCount)
{
this.VertexCount = vertexCount;
} public int VertexCount { get; private set; } public IEnumerable<int> Vertices { get { return _adjacentEdges.Keys; } } public IEnumerable<Edge> Edges
{
get { return _adjacentEdges.Values.SelectMany(e => e); }
} public int EdgeCount { get { return this.Edges.Count(); } } public void AddEdge(int begin, int end, int weight)
{
if (!_adjacentEdges.ContainsKey(begin))
{
var edges = new List<Edge>();
_adjacentEdges.Add(begin, edges);
} _adjacentEdges[begin].Add(new Edge(begin, end, weight));
} public List<Edge> Prim()
{
// Array to store constructed MST
int[] parent = new int[VertexCount]; // Key values used to pick minimum weight edge in cut
int[] keySet = new int[VertexCount]; // To represent set of vertices not yet included in MST
bool[] mstSet = new bool[VertexCount]; // Initialize all keys as INFINITE
for (int i = ; i < VertexCount; i++)
{
keySet[i] = int.MaxValue;
mstSet[i] = false;
} // Always include first 1st vertex in MST.
// Make key 0 so that this vertex is picked as first vertex
keySet[] = ;
parent[] = -; // First node is always root of MST // The MST will have V vertices
for (int i = ; i < VertexCount - ; i++)
{
// Pick thd minimum key vertex from the set of vertices
// not yet included in MST
int u = CalculateMinDistance(keySet, mstSet); // Add the picked vertex to the MST Set
mstSet[u] = true; // Update key value and parent index of the adjacent vertices of
// the picked vertex. Consider only those vertices which are not yet
// included in MST
for (int v = ; v < VertexCount; v++)
{
// graph[u, v] is non zero only for adjacent vertices of m
// mstSet[v] is false for vertices not yet included in MST
// Update the key only if graph[u, v] is smaller than key[v]
if (!mstSet[v]
&& _adjacentEdges.ContainsKey(u)
&& _adjacentEdges[u].Exists(e => e.End == v))
{
int d = _adjacentEdges[u].Single(e => e.End == v).Weight;
if (d < keySet[v])
{
keySet[v] = d;
parent[v] = u;
}
}
}
} // get all MST edges
List<Edge> mst = new List<Edge>();
for (int i = ; i < VertexCount; i++)
mst.Add(_adjacentEdges[parent[i]].Single(e => e.End == i)); return mst;
} private int CalculateMinDistance(int[] keySet, bool[] mstSet)
{
int minDistance = int.MaxValue;
int minDistanceIndex = -; for (int v = ; v < VertexCount; v++)
{
if (!mstSet[v] && keySet[v] <= minDistance)
{
minDistance = keySet[v];
minDistanceIndex = v;
}
} return minDistanceIndex;
}
}
}
}
输出结果如下:
参考资料
- Connectivity in a directed graph
- Strongly Connected Components
- Tarjan's Algorithm to find Strongly Connected Components
本篇文章《Prim 最小生成树算法》由 Dennis Gao 发表自博客园,未经作者本人同意禁止任何形式的转载,任何自动或人为的爬虫转载行为均为耍流氓。
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