每日一题29：最小生成树

最小生成树是指包含图中所有的顶点而又没有环并且所有边的权值最小的子图，由于这张图没有环，所以就是一棵树。比较流行的两种找到最小生成树的算法有Kruscal算法和Prim算法。本文在代码注释里写明算法的原理和实际计算步骤，然后贴出两种算法运行的结果示例，最后证明算法的正确性。

原理及实现

#ifndef _MINGENTREE_H_
#define _MINGENTREE_H_

#include "../include/DirectedWeightGraph.h"
#include "../include/Vector.h"
#include "../include/UnionFindSet.h"
#include "../include/Heap.h"
using namespace MyDataStructure;

namespace MyTools
{
    template <typename ValueType,typename WeightType>
    class MinGenTree
    {
    public:
        typedef typename DirectedWeightGraph<ValueType, WeightType> GraphType;
        typedef typename GraphType::VerticePtr VerticePtr;
        typedef typename GraphType::EdgePtr EdgePtr;
    public:
        Vector<EdgePtr> Kruscal(const GraphType &Graph)
        {
            int size = Graph.GetVerticeSize();
            //算法的核心是，每一步选择一条具有最小
            //权值并且加入最小生成树后不会产生回路
            //的边，可以利用一个最小堆动态排序边
            Heap<EdgePtr, less> minHeap;
            for (int i = 0; i < size; ++i)
            {
                VerticePtr v = Graph.GetVertice(i);
                if (v != nullptr)
                {
                    EdgePtr e = v->adj;
                    while (e != nullptr)
                    {
                        minHeap.Insert(e);
                        e = e->next;
                    }
                }
            }
            //利用并查集判断边一条候选边加入后
            //是否会产生回路
            UnionFindSet ufs(size);
            Vector<EdgePtr> minTree;
            int VerticeCount = Graph.GetVerticeCount();
            while (minHeap.Size() != 0 && minTree.Size() < VerticeCount)
            {
                EdgePtr e;
                if (minHeap.GetTop(e))
                {
                    minHeap.RemoveTop();
                    //如果当前最小一条边的两个顶点不同时在最小生成树
                    //集合或剩余的图里，那么这条边就可以加入最小生成树，
                    //就不会产生回路
                    if (ufs.Find(e->src) != ufs.Find(e->dst))
                    {
                        minTree.PushBack(e);
                        ufs.Union(e->src, e->dst);
                    }
                }
            }
            //如果最小生成树的边的数目不是顶点数减一，那这棵树就不是一棵最小生成树
            if (minTree.Size() < VerticeCount - 1) return Vector<EdgePtr>();
            else return minTree;
        }
        Vector<EdgePtr> Prim(const GraphType Graph)
        {
            int size = Graph.GetVerticeSize();
            //算法的核心是每次从跨越最小生成树集合与
            //剩余图的集合的边中选择具有最小权值的一条边
            //加入生成树，所以可以利用最小堆动态排序跨越
            //两个集合的边
            Heap<EdgePtr, less> minHeap;

            Vector<EdgePtr> minTreeEdge;
            //只有一条边的一个顶点在生成树中，而另一个顶点
            //不在，才有可能被选择
            Vector<bool> IsInMST(size);
            for (int i = 0; i < size; ++i)
            {
                IsInMST[i] = false;
            }
            //选择一个顶点开始
            Vector<int> minTreeVertice;
            for (int i = 0; i < size; ++i)
            {
                if (Graph.GetVertice(i) != nullptr)
                {
                    minTreeVertice.PushBack(i);
                    IsInMST[i] = true;
                    break;
                }
            }
            int VerticeCount = Graph.GetVerticeCount();
            do
            {
                int mst_v = minTreeVertice.Size();
                EdgePtr e = Graph.GetVertice(minTreeVertice[mst_v - 1])->adj;
                //找到新加入的顶点带来的跨越两个集合的边，加入最小堆，作为候选点
                while (e != nullptr)
                {
                    if (IsInMST[e->dst] == false) minHeap.Insert(e);
                    e = e->next;
                }
                EdgePtr top = nullptr;
                //由于加入了一个新的节点，所以以前的一些候选边由于两个
                //顶点都在最小生成树集合里而不能再被选择，但它们又可能
                //处于最小堆的顶端，把这种边移除
                while (minHeap.GetTop(top) == true && IsInMST[top->dst] == true)
                {
                    minHeap.RemoveTop();
                    top = nullptr;
                }
                //除非堆中还有可用的边，否则就退出循环了
                if (top != nullptr)
                {
                    if (IsInMST[top->dst] = true)
                    {
                        minHeap.RemoveTop();
                        minTreeVertice.PushBack(top->dst);
                        minTreeEdge.PushBack(top);
                        IsInMST[top->dst] = true;
                    }
                }
                else
                {
                    break;
                }
            } while (minTreeVertice.Size() < VerticeCount);
            //如果最小生成树的边的数目不是顶点数减一，那这棵树就不是一棵最小生成树
            if (minTreeEdge.Size() < VerticeCount - 1) return Vector<EdgePtr>();
            else return minTreeEdge;
        }
    private:
        struct less
        {
            bool operator ()(const EdgePtr op1, const EdgePtr op2)
            {
                return op1->weight < op2->weight;
            }
        };
    };
}

#endif

算法运行结果示例

原图

Kruscal算法运行结果

Prim算法运行结果
可以看到两种算法运行的结果一样，并且也是正确的。

算法正确性的证明

Kruscal算法：
假设还有另一条边E’比当前选择的边更合适，那么将它加入最小生成树就必然要删除一条边E，否则就会形成环。但是如果E’替换E后使得最小生成树的总权值更小，那么就说明E’的权值小于E，那么算法运行过程中就该选择E’，而这与算法运行过程矛盾，所以这样的E’不存在，如果E’的权值等于E，那么是可以替换的，因为最小生成树并不是唯一的。
Prim算法证明与之类似。