在上一篇文章中,我们聊了聊KMP算法,一个极其高效但又非常难以理解(个人看来)的算法,如果有朋友想要深度讨论,欢迎私信。
本篇我们来聊聊prim算法,我最早接触prim算法已经记不清是数据结构课中还是离散数学课中了,但即便科目不同,prim算法还是那个prim算法。
prim算法是一种用于在连通图中获取最小生成树的算法,同样用于获取最小生成树的算法还有Kruskal算法(大家有兴趣同样可以了解了解,但其实二者是比较相似的),prim算法属于贪心算法的一种,至于为什么,或许在分析其过程的时候大家就明白了。
要理解prim算法,大家首先要理解好什么是连通图?什么是最小生成树?这里我们来简单介绍一下,因为这不是我们本次的重点(如果已经有基础的朋友,可以适当跳过)。
- 什么是连通图?,首先理解什么是图?(这里面的学问其实有点大,所以我说咱们就是简单介绍下哈,本篇文章还是对有基础的朋友较友好,因为对于有基础的朋友,我可能是在废话哈哈哈)简单来说,平面内许多点通过一些路径相互连接(不一定要全部连接),就构成了一个图,而根据这些点之间的路径是否有方向,又分为了无向图和有向图。如下图,分别是一种无向图和有向图。
那么?什么是连通图呢?简单来说(只能简单来说了,说多了可以另起一篇文章。。。),就是图中的点通过图中的某些路径(带方向的就必须按照方向来)可以抵达任意一个点。最为简单的模型就是一个地区的许多村落之间的通信,如果每个村庄之间都可以达成通信,就是连通的。 - 最小生成树是什么呢? 连通图中,每条路径都存在一个权值(理解为距离/成本也行吧,但其实不是这么理解的)。从该连通图出发,寻找一个路径数最少,但每个点之间都可达,就是一个生成树了(专业术语是连通无环子图)。生成树不止一个,而所以生成树中权值之和最小的生成树称为最小生成树。
以上是对最小生成树的简单介绍,如果大家想详细了解一下,可查询资料,这些都不是我们本次的重点。如下给出《算法设计与分析基础》中生成树和最小生成树的定义。
如下为一些例子:
在简单讲解最小生成树的概念后,我们来聊聊prim算法的思想。前面提到过,prim算法是贪心算法的一种,而贪心算法,讲究的就是要极力满足当前最优,这个当前最优正是prim算法的核心思想。
首先,prim算法中存在两个存储空间, 一个用来存放已加入最小生成树的顶点,而另外一个则用来存放还未加入最小生成树中的顶点。 当连通图中所有顶点已放入用于最小生成树的空间中,那么我们最小生成树算法结束!
- 算法开始,起始顶点可随机找或指定一个。将起始顶点先放入已选顶点集合中。
- 在未放入已选顶点集合中查找一条到已选顶点集合中所有点最短(或者是权值最小,这里看自己理解了)的路径(说是一条线或许更合适吧)。刚开始的话,我们已选顶点集合只有一个点!而之后我们会将未加入的顶点一个一个加入已选顶点集合,所以这里的条件必须是已选顶点集合中所有点。显然,在我们找到的这条最短(权值最小)路径的两端的顶点,一个肯定属于还未加入最小生成树中的顶点,另一个肯定属于已加入最小生成树的顶点。将还未加入已选顶点集合的那个点,加入已选顶点集合,本轮任务完成。如果需要路径的,可以将路径记录保存下来。
- 重复第二步,直到所有顶点已加入已选顶点集合,那么,我们的最小生成树就完成了。如果需要计算最小生成树的权值之和,在每一次找到最短路径的时候求一次和即可,需要具体路径的进行标记即可。
接下来,我们举个栗子来做个示范:
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