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Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

Prim算法介绍1.点睛在生成树的过程中,把已经在生成树中的节点看作一个集合,把剩下的节点看作另外一个集合,从连接两个集合的边中选择一条权值最小的边即可。2.算法介绍首先任选一个节点,例如节点1,把它放在集合U中,U={1},那么剩下的节点为V-U={2,3,4,5,6,7},集合V是图的所有节点集合。现在只需要看看连接两个集合(U和V-U)的边中,哪一条边的权值最小,把权值最小的边关联的节点加入集合U中。从上图可以看出,连接两个集合的3条边中,1-2边的权值最小,选中它,把节点2加入集合U中,U={1,

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    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    Prim算法介绍

    1.点睛

    在生成树的过程中,把已经在生成树中的节点看作一个集合,把剩下的节点看作另外一个集合,从连接两个集合的边中选择一条权值最小的边即可。

    2.算法介绍

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    首先任选一个节点,例如节点1,把它放在集合 U 中,U={1},那么剩下的节点为 V-U={2,3,4,5,6,7},集合 V 是图的所有节点集合。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    现在只需要看看连接两个集合(U 和 V-U)的边中,哪一条边的权值最小,把权值最小的边关联的节点加入集合 U 中。从上图可以看出,连接两个集合的 3 条边中,1-2 边的权值最小,选中它,把节点 2 加入集合 U 中,U={1,2},V - U={3,4,5,6},如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    再从连接两个集合(U 和 V-U)的边中选择一条权最小的边。从上图看出,在连接两个集合的4条边中,节点2到节点7的边权值最小,选中这条边,把节点7加入集合U={1,2,7}中,V-U={3,4,5,6}。

    如此下去,直到 U=V 结束,选中的边和所有的节点组成的图就是最小生成树。这就是 Prim 算法。

    直观地看图,很容易找出集合 U 到 集合 U-V 的边中哪条边的权值是最小的,但在程序中穷举这些边,再找最小值,则时间复杂度太高。可以通过设置数组巧妙解决这个问题,closet[j] 表示集合 V-U 中的节点 j 到集合 U 中的最邻近点,lowcost[j] 表示集合 V-U 中节点 j 到集合 U 中最邻近点的边值,即边(j,closest[j]) 的权值。

    例如在上图中,节点 7 到集合 U 中的最邻近点是2,cloeest[7]=2。节点 7 到最邻近点2 的边值为1,即边(2,7)的权值,记为 lowcost[7]=1,如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    所以只需在集合 V - U 中找到 lowcost[] 只最小的节点即可。

    3. 算法步骤

    1.初始化

    令集合 U={u0},u0 属于 V,并初始化数组 closest[]、lowcost[]和s[]。

    2.在集合 V-U 中找 lowcost 值最小的节点t,即 lowcost[t]=min{lowcost[j]},j 属于 V-U,满足该公式的节点 t 就是集合 V-U 中连接 U 的最邻近点。

    3.将节点 t 加入集合 U 中。

    4.如果集合 V - U 为空,则算法结束,否则转向步骤 5。

    5.对集合 V-U 中的所有节点 j 都更新其 lowcost[] 和 closest[]。if(C[t][j]

    按照上面步骤,最终可以得到一棵权值之和最小的生成树。

    4.图解

    图 G=(V,E)是一个无向连通带权图,如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    1 初始化。假设 u0=1,令集合 U={1},集合 V-U={2,3,4,5,6,7},s[1]=true,初始化数组 closest[]:除了节点1,其余节点均为1,表示集合 V-U 中的节点到集合 U 的最邻近点均为1.lowcost[]:节点1到集合 V-U 中节点的边值。closest[] 和 lowcost[] 如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    初始化后的图为:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    2 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=2,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    3 加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2},同时更新 V-U={3,4,5,6,7}

    4 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 2 的邻接点是节点 3 和节点7。

    C[2][3]=20

    C[2][7]=1

    更新后的 closest[] 和 lowcost[] 如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    更新后的集合如下图所示:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    5 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=7,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    6  加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2,7},同时更新 V-U={3,4,5,6}

    7 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 7 的邻接点是节点 3、4、5、6。

    • C[7][3]=4

    • C[7][4]=4

    • C[7][5]=4

    • C[7][6]=4

    更新后的 closest[] 和 lowcost[] 如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    更新后的集合如下图所示:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    8 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=3,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    9 加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2,3,7},同时更新 V-U={4,5,6}

    10 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 3 的邻接点是节点 4。

    C[3][4]=15>lowcost[4]=9,不更新

    closest[] 和 lowcost[] 数组不改变。

    更新后的集合如下图所示:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    11 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=4,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    12 加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2,3,4,7},同时更新 V-U={5,6}

    13 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 4 的邻接点是节点 5。

    C[4][5]=3

    更新后的 closest[] 和 lowcost[] 如下图所示。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    更新后的集合如下图所示:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    14 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=5,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    15 加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2,3,4,5,7},同时更新 V-U={6}

    16 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 5 的邻接点是节点 6。

    C[5][6]=17

    更新后的集合如下图所示:

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    17 找 lowcost 最小的节点,对应的 t=6,选中的边和节点如下图。

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    18 加入集合U中。将节点 t 加入集合 U 中,U={1,2,3,4,5,6,7},同时更新 V-U={}

    19 更新。对 t 在集合 V-U 中的每一个邻接点 j,都可以借助 t 更新。节点 6 在集合 V-U 中无邻接点。不用更新 closest[] 和 lowcost[] 。

    20 得到的最小生成树如下。最小生成树的权值之和为 57.

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    Prime 算法实现

    1.构建后的图

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

    2.代码

    package graph.prim;
     
    import java.util.Scanner;
     
    public class Prim {
        static final int INF = 0x3f3f3f3f;
        static final int N = 100;
        // 如果s[i]=true,说明顶点i已加入U
        static boolean s[] = new boolean[N];
        static int c[][] = new int[N][N];
        static int closest[] = new int[N];
        static int lowcost[] = new int[N];
     
        static void Prim(int n) {
            // 初始时,集合中 U 只有一个元素,即顶点 1
            s[1] = true;
            for (int i = 1; i <= n; i++) {
                if (i != 1) {
                    lowcost[i] = c[1][i];
                    closest[i] = 1;
                    s[i] = false;
                } else
                    lowcost[i] = 0;
            }
            for (int i = 1; i < n; i++) {
                int temp = INF;
                int t = 1;
                // 在集合中 V-u 中寻找距离集合U最近的顶点t
                for (int j = 1; j <= n; j++) {
                    if (!s[j] && lowcost[j] < temp) {
                        t = j;
                        temp = lowcost[j];
                    }
                }
                if (t == 1)
                    break; // 找不到 t,跳出循环
                s[t] = true; // 否则,t 加入集合U
                for (int j = 1; j <= n; j++) { // 更新 lowcost 和 closest
                    if (!s[j] && c[t][j] < lowcost[j]) {
                        lowcost[j] = c[t][j];
                        closest[j] = t;
                    }
                }
            }
        }
     
        public static void main(String[] args) {
            int n, m, u, v, w;
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            n = scanner.nextInt();
            m = scanner.nextInt();
            int sumcost = 0;
            for (int i = 1; i <= n; i++)
                for (int j = 1; j <= n; j++)
                    c[i][j] = INF;
            for (int i = 1; i <= m; i++) {
                u = scanner.nextInt();
                v = scanner.nextInt();
                w = scanner.nextInt();
                c[u][v] = c[v][u] = w;
            }
            Prim(n);
            System.out.println("数组lowcost:");
     
            for (int i = 1; i <= n; i++)
                System.out.print(lowcost[i] + " ");
     
            System.out.println();
            for (int i = 1; i <= n; i++)
                sumcost += lowcost[i];
            System.out.println("最小的花费:" + sumcost);
        }
    }

    3.测试

    Java中Prime算法的原理与实现方法是什么

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