无向加权图的最小生成树

Prim算法

原理
(1)任意选择一点作为起始点;
(2)选择与起始点相连的权重最小的边,作为第二个点;
(3)对于剩下的所有点,比较他们与已选择的点的权重,每次选择最小的边(这里用到了贪婪算法思想),若形成环则不选择;

辅以下面的例子来帮助理解:

(1)选择v0作为起始点
image.png

(2)选择距离v0权重最小的,这里是v1
image.png

(3)在与v0和v1相连的边中选择一个权重最小的,这里是11,连接v0和v5


image.png

(4)接着在与(v0,v1,v5)相连的边中,选择权重最小的边,这里是12,连接v8
image.png

(5)如此循环,最后的完成图如下:
image.png

Kruskal算法

原理:
对于图 G(V,E),其中V为图中所有顶点的集合,E为所有边的集合。
(1)首先对E中所有的边按照权重进行排序;
(2)首先,取出权重最小的边,新建一个G1集合表示取出的这条边上的两个点代表的连通分量(可简单理解为图的一部分或最终生成树的子树);
(3)取出权重第二小的边,若此边与第一条取出的边相连,则加入G1,表示同一个连通分量(逐步扩充此连通分量);
(4)继续按权重从小到大取出各条边,若与已有的连通分量相连,则加入此连通分量中,否则新建一个集合Gi表示一个新的连通分量;若取出的边会形成环则丢掉;
(5)在不断取出各条边的过程中,可能会形成多个连通分量。当取出的边的两个顶点同时属于两个连通分量时,便可将这两个连通分量合并;
(6)最终多个连通分量合并为一个,也就是我们的最小生成树。

上述检查每一条取出的边是否属于某个连通分量,以及连通分量的合并用到了并查集。辅以下面的图示帮助理解:
(1)选择最小的边,即v4-v7,此时G1={v4-v7}

image.png

(2)选择第二小的边,也即v2-v8,此时G1={v4-v7}, G2={v2-v8}
image.png

(3)选择第三小的边即v1-v0,此时G1={v4-v7}, G2={v2-v8},G3={v1-v0}
image.png

(4)选第四小的边即v0-v5,由于v0-v5与v1-v0相连,也即属于同一连通分量,此时G1={v4-v7}, G2={v2-v8},G3={v1-v0,v0-v5}
image.png

(5)选择第五小的边即v8-v1,此时v8-v1把G2和G3两个连通分量联合起来合为一个连通分量G4,此时G1={v4-v7}, G4={v2-v8, v8-v1, v1-v0,v0-v5}
image.png

(6)继续选择余下边里面最小的即16,此处选择v1-v6和v3-v7都可以,这里选v1-v6,合入连通分量G4,此时G1={v4-v7}, G4={v2-v8, v8-v1, v1-v0, v0-v5, v1-v6}
image.png

(7)剩下的步骤与上面相同(注意,由于选v5-v6这条边会形成环,因此丢掉这条边),最后的结果如下:
image.png

总结

对比两种算法,Kruskal主要是针对边来展开,边数少时效率会非常高,所以对于稀疏图有很大的优势;而Prim算法对于稠密图,即边数非常多的情况会更加好一些。

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