普里姆(Prim)算法

普里姆算法(Prim算法),图论中的一种算法,可在加权连通图(即“带权图”)里搜索最小生成树。即此算法搜索到的边(Edge)子集所构成的树中,不但包括了连通图里的所有顶点(Vertex)且其所有边的权值之和最小。

(注:N个顶点的图中,其最小生成树的边为N-1条,且各边之和最小。树的每一个节点(除根节点)有且只有一个前驱,所以,只有N-1条边。)

该算法于1930年由捷克数学家沃伊捷赫·亚尔尼克(Vojtěch Jarník)发现;并在1957年由美国计算机科学家罗伯特·普里姆(Robert C. Prim)独立发现;1959年,艾兹格·迪科斯彻再次发现了该算法。因此,在某些场合,普里姆算法又被称为DJP算法、亚尔尼克算法或普里姆-亚尔尼克算法。

定义

假设G=(V, {E})是连通网,TE是N上最小生成树中边(Edge)的集合。V是图G的顶点的集合,E是图G的边的集合。算法从U={u0} (u0∈V),TE={}开始。重复执行下述操作:

在所有u∈U,v∈V-U的边(u, v)∈E中找一条代价(权值)最小的边(u0, v0)并入集合TE。

同时v0并入U

直至U=V为止。此时TE中必有n-1条边,则T=(V, {TE})为N的最小生成树。

由算法代码中的循环嵌套可得知此算法的时间复杂度为O(n2)。

过程简述

输入:带权连通图(即“网”)G,其顶点的集合为V,边的集合为E。
初始:U={u},u为从V中任意选取顶点,作为起始点;TE={}。
操作:重复以下操作,直到U=V,即两个集合相等。

在集合E中选取权值最小的边(u, v),u∈U,v∈V且v∉U。(如果存在多条满足前述条件,即权值相同的边,则可任意选取其中之一。)

将v并入U,将(u, v)边加入TE。
输出:用集合U和TE来描述所得到的最小生成树。

如何实现

图G的邻接矩阵

如上面的这个图G=(V, {E}),其中:
V={v0, v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8},
E= {(v0, v1), (v0, v5), (v1, v6), (v5, v6), (v1, v8), (v1, v2), (v2, v8), (v6, v7), (v3, v6), (v4, v5), (v4, v7), (v3, v7), (v3, v4), (v3,v8), (v2, v3)}

用邻接矩阵表示该图G,得上图右边的邻接矩阵。
此图G有n = 9个顶点,其最小生成树则必有n-1 = 8条边。
(注意:图G的最小生成树是一棵树,且图G中的每个顶点都在这棵树里,故必含有n个顶点;而除树根节点,每个节点有且只有一个前驱,所以图G的最小生成树有且只有n-1条边。若边数大于n-1,则必有树中某个顶点与另一个顶点存在第二条边,从而不能构成树。树中节点是一对多关系而不是多对多关系。)

①输入:带权连通图G=(V, {E}),求图G的最小生成树。
②初始:U={u},取图G中的v0作为u,用数组adjVex=int[9]来表示U(最终U要等于V),adjVex数组记录的是U中顶点的下标。U是最小生成树T的各边的起始顶点的集合。
adjVex初始值为[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],表示从顶点v0开始去寻找权值最小的边。
用数组lowCost = int[9] 表示adjVex中各点到集合V中顶点构成的边的权值。lowCost数组中元素的索引即是顶点V的下标。解释:adjVex[3] == 0,表示v0,adjVex[5] == 0,表示v0。lowCost[3] == ∞且adjVex[3] == 0,表示(v0, v3)边不存在;lowCost[5] == 11且adjVex[5] == 0,表示(v0, v5)边的权值为11。

如:邻接矩阵中的v0行,v0顶点与各顶点构成的边及其权值用下面这的方式表示:

示例一

索引:index [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
权值:lowCost[0, 10, ∞, ∞, ∞, 11, ∞, ∞, ∞]
下标:adjVex [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

(v0, v0, 0), (v0, v3, ∞), (v0, v5, 11)

0表示以该顶点为终点的边已经并入图G的最小生成树的边集合——TE集合,不需要再比较(搜索)。
∞表示以该顶点为终点的边不存在。

③操作:

上面示例一中,最小的权值为10,此时lowCost中下标k = 1,相应地adjVex[k]即adjVex[1] == 0,记录下此时的边为(v0, v1)。

将adjVex[k]即adjVex[1]设为1,表示将顶点v1放入图G的最小生成树的顶点集合U中。

将lowCost[k]即lowCost[1]设为0,表示以v1为终止点的边已搜索。

然后,将焦点转向顶点v1,看看从v1开始的边有哪些是权值小于从之前的顶点v0开始的边的。此时k == 1。则有以下过程:

索引:index [ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
权值:lowCost[ 0, 0, ∞, ∞, ∞, 11, ∞, ∞, ∞]
下标:adjVex [ 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
顶点:vex[1] [10, 0,18, ∞, ∞, ∞,16, ∞,12]

由于lowCost[0]和lowCost[1]为0,所以从lowCost[2]开始比较权值。vex[1][2] == 18 < lowCost[2],意思是(v0, v2)==∞不存在这条边,(v1, v2) == 18,存在权为18的边(v1, v2),类似的还有vex[1][6] == 16 < lowCost[6]和vex[1][8] == 12 < lowCost[8]。
把k == 1赋值给
adjVex[2]、adjVex[6]和adjVex[8]。
把权值18、16和12赋值给
lowCost[2]、lowCost[6]和lowCost[8]。

更新后的权值数组和邻接顶点数组如下:

索引:index [ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
权值:lowCost[ 0, 0, 18, ∞, ∞, 11, 16, ∞, 12]
下标:adjVex [ 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1]

故下次循环从顶点v1为起点去搜索lowCost中权值最小的边。如此往复循环,直到图G中的每一个顶点都被遍历到。(邻接矩阵的每一行都被遍历到)

④输出:

演示过程

Loop 1
lowCost: [ 0, 10, ∞, ∞, ∞, 11, ∞, ∞, ∞ ]
adjVex: [ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ]

lowCost: [ 0, 0, 18, ∞, ∞, 11, 16, ∞, 12 ]
adjVex: [ 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1 ]

Loop 2
lowCost: [ 0, 0, 18, ∞, ∞, 11, 16, ∞, 12 ]
adjVex: [ 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 18, ∞, 26, 0, 16, ∞, 12 ]
adjVex: [ 0, 1, 5, 0, 5, 0, 1, 0, 1 ]

Loop 3
lowCost: [ 0, 0, 18, ∞, 26, 0, 16, ∞, 12 ]
adjVex: [ 0, 1, 5, 0, 5, 0, 1, 0, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 8, 21, 26, 0, 16, ∞, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 5, 0, 1, 0, 1 ]

Loop 4
lowCost: [ 0, 0, 8, 21, 26, 0, 16, ∞, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 5, 0, 1, 0, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 0, 21, 26, 0, 16, ∞, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 2, 0, 1, 0, 1 ]

Loop 5
lowCost: [ 0, 0, 0, 21, 26, 0, 16, ∞, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 2, 0, 1, 0, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 0, 21, 26, 0, 0, 19, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 2, 6, 1, 6, 1 ]

Loop 6
lowCost: [ 0, 0, 0, 21, 26, 0, 0, 19, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 8, 2, 6, 1, 6, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 0, 16, 7, 0, 0, 0, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 7, 7, 6, 7, 6, 1 ]

Loop 7
lowCost: [ 0, 0, 0, 16, 7, 0, 0, 0, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 7, 7, 6, 7, 6, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 0, 16, 0, 0, 0, 0, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 7, 7, 6, 7, 4, 1 ]

Loop 8
lowCost: [ 0, 0, 0, 16, 0, 0, 0, 0, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 7, 7, 6, 7, 4, 1 ]

lowCost: [ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ]
adjVex: [ 0, 1, 8, 7, 7, 6, 7, 4, 3 ]

运行结果

(0, 1)
(0, 5)
(1, 8)
(8, 2)
(1, 6)
(6, 7)
(7, 4)
(7, 3)

算法代码

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