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 并查集 、贪心 、图的存储 。
实现 图示:
伪代码:
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。
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 的排序算法,并且使用 或 的并查集,就可以得到时间复杂度为 的 Kruskal 算法。
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 条边,即形成了一棵树。
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 ,令 为这棵 MST,考虑下一条加入的边 。
如果 属于 ,那么成立。
否则, 一定存在一个环,考虑这个环上不属于 的另一条边 (一定只有一条)。
首先, 的权值一定不会比 小,不然 会在 之前被选取。
然后, 的权值一定不会比 大,不然 就是一棵比 还优的生成树了。
所以, 包含了 ,并且也是一棵最小生成树,归纳成立。
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)。
实现 图示:
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 decrease-key 的堆,复杂度就不优于 Kruskal,常数也比 Kruskal 大。所以,一般情况下都使用 Kruskal 算法,在稠密图尤其是完全图上,暴力 Prim 的复杂度比 Kruskal 优,但 不一定 实际跑得更快。
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 代表的是哪条边。
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60 // 使用二叉堆优化的 Prim 算法。
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std ;
const int N = 5050 , M = 2e5 + 10 ;
struct E {
int v , w , x ;
} e [ M * 2 ];
int n , m , h [ N ], cnte ;
void adde ( int u , int v , int w ) { e [ ++ cnte ] = E { v , w , h [ u ]}, h [ u ] = cnte ; }
struct S {
int u , d ;
};
bool operator < ( const S & x , const S & y ) { return x . d > y . d ; }
priority_queue < S > q ;
int dis [ N ];
bool vis [ N ];
int res = 0 , cnt = 0 ;
void Prim () {
memset ( dis , 0x3f , sizeof ( dis ));
dis [ 1 ] = 0 ;
q . push ({ 1 , 0 });
while ( ! q . empty ()) {
if ( cnt >= n ) break ;
int u = q . top (). u , d = q . top (). d ;
q . pop ();
if ( vis [ u ]) continue ;
vis [ u ] = 1 ;
++ cnt ;
res += d ;
for ( int i = h [ u ]; i ; i = e [ i ]. x ) {
int v = e [ i ]. v , w = e [ i ]. w ;
if ( w < dis [ v ]) {
dis [ v ] = w , q . push ({ v , w });
}
}
}
}
int main () {
cin >> n >> m ;
for ( int i = 1 , u , v , w ; i <= m ; ++ i ) {
cin >> u >> v >> w , adde ( u , v , w ), adde ( v , u , w );
}
Prim ();
if ( cnt == n )
cout << res ;
else
cout << "No MST." ;
return 0 ;
}
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 次即可。
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 ,属于 这棵 MST,接下来要加入边 。
如果 属于 ,那么成立。
否则考虑 中环上另一条可以加入当前边集的边 。
首先, 的权值一定不小于 的权值,否则就会选择 而不是 了。
然后, 的权值一定不大于 的权值,否则 就是一棵更小的生成树了。
因此, 和 的权值相等, 也是一棵最小生成树,且包含了 。
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 为我们当前找到的最小生成森林的边。在算法执行过程中,我们逐步向 加边,定义 连通块 表示一个点集 ,且这个点集中的任意两个点 , 在 中的边构成的子图上是连通的(互相可达)。 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, ,每个点各自是一个连通块:
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 ,如果 和 不在同一个连通块,就用这条边的边权分别更新 和 所在连通块的最小边。 如果所有连通块都没有最小边,退出程序,此时的 就是原图最小生成森林的边集。否则,将每个有最小边的连通块的最小边加入 ,返回第一步。 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 次,而原图不连通时相当于多个子问题,因此算法复杂度是 的。给出算法的伪代码:(修改自 维基百科 )
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 (m 为边数)的时间复杂度里优秀解决这个问题(基本与原算法时间相同)。
例题:POJ 1679 1
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58 #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 );
std :: sort ( a + 1 , a + m + 1 , cmp ); // 先排序
int num = 0 , ans = 0 , tail = 0 , sum1 = 0 , sum2 = 0 ;
bool flag = 1 ;
for ( int i = 1 ; i <= m + 1 ; i ++ ) { // 再并查集加边
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 ,设其权值和为 遍历每条未被选中的边 ,找到 中 到 路径上边权最大的一条边 ,则在 中以 替换 ,可得一棵权值和为 的生成树 . 对所有替换得到的答案 取最小值即可 如何求 路径上的边权最大值呢?
我们可以使用倍增来维护,预处理出每个节点的 级祖先及到达其 级祖先路径上最大的边权,这样在倍增求 LCA 的过程中可以直接求得。
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 到 路径上的边权最大值一定 不大于 其他从 到 路径的边权最大值。换言之,当我们用于替换的边的权值与原生成树中被替换边的权值相等时,得到的次小生成树是非严格的。
解决的办法很自然:我们维护到 级祖先路径上的最大边权的同时维护 严格次大边权 ,当用于替换的边的权值与原生成树中路径最大边权相等时,我们用严格次大值来替换即可。
这个过程可以用倍增求解,复杂度 。
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155 #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 的瓶颈生成树是这样的一个生成树,它的最大的边权值在 的所有生成树中最小。
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 ,如果最小生成树不是瓶颈生成树的话,则瓶颈生成树的所有边权都小于 ,我们只需删去原最小生成树中的最长边,用瓶颈生成树中的一条边来连接删去边后形成的两棵树,得到的新生成树一定比原最小生成树的权值和还要小,这样就产生了矛盾。
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 中 x 到 y 的最小瓶颈路是这样的一类简单路径,满足这条路径上的最大的边权在所有 x 到 y 的简单路径中是最小的。
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 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 轮之后我们得到了一棵恰有 个叶子的二叉树,同时每个非叶子节点恰好有两个儿子。这棵树就叫 Kruskal 重构树。
举个例子:
这张图的 Kruskal 重构树如下:
性质 不难发现,原图中两个点之间的所有简单路径上最大边权的最小值 = 最小生成树上两个点之间的简单路径上的最大值 = Kruskal 重构树上两点之间的 LCA 的权值。
也就是说,到点 的简单路径上最大边权的最小值 的所有点 均在 Kruskal 重构树上的某一棵子树内,且恰好为该子树的所有叶子节点。
我们在 Kruskal 重构树上找到 到根的路径上权值 的最浅的节点。显然这就是所有满足条件的节点所在的子树的根节点。
如果需要求原图中两个点之间的所有简单路径上最小边权的最大值,则在跑 Kruskal 的过程中按边权大到小的顺序加边。
「LOJ 137」最小瓶颈路 加强版 1
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137 #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 ];
}
} // namespace LCA
} // namespace TR
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 () { // 最小生成树
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 ;
}
}
}
} // namespace GR
int ans ;
int A , B , C , P ;
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 (); // 预处理
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 的节点。
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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