图——最小生成树的克鲁斯卡尔算法

/**Copyright (c) 2015 , 烟台大学计算机学院*All right resvered .*文件名称: Kruskal算法.cpp*作    者: 郑兆涵*图——最小生成树的克鲁斯卡尔算法*/

问题:

最小生成树的Kruskal算法例子

测试用图为:

编程代码:

    //头文件：graph.h，包含定义图数据结构的代码、宏定义、要实现算法的函数的声明    #ifndef GRAPH_H_INCLUDED    #define GRAPH_H_INCLUDED    #define MAXV 100                //最大顶点个数    #define INF 32767       //INF表示∞    typedef int InfoType;    //以下定义邻接矩阵类型    typedef struct    {        int no;                     //顶点编号        InfoType info;              //顶点其他信息，在此存放带权图权值    } VertexType;                   //顶点类型    typedef struct                  //图的定义    {        int edges[MAXV][MAXV];      //邻接矩阵        int n,e;                    //顶点数，弧数        VertexType vexs[MAXV];      //存放顶点信息    } MGraph;                       //图的邻接矩阵类型    //以下定义邻接表类型    typedef struct ANode            //弧的结点结构类型    {        int adjvex;                 //该弧的终点位置        struct ANode *nextarc;      //指向下一条弧的指针        InfoType info;              //该弧的相关信息,这里用于存放权值    } ArcNode;    typedef int Vertex;    typedef struct Vnode            //邻接表头结点的类型    {        Vertex data;                //顶点信息        int count;                  //存放顶点入度,只在拓扑排序中用        ArcNode *firstarc;          //指向第一条弧    } VNode;    typedef VNode AdjList[MAXV];    //AdjList是邻接表类型    typedef struct    {        AdjList adjlist;            //邻接表        int n,e;                    //图中顶点数n和边数e    } ALGraph;                      //图的邻接表类型    //功能：由一个反映图中顶点邻接关系的二维数组，构造出用邻接矩阵存储的图    //参数：Arr - 数组名，由于形式参数为二维数组时必须给出每行的元素个数，在此将参数Arr声明为一维数组名（指向int的指针）    //      n - 矩阵的阶数    //      g - 要构造出来的邻接矩阵数据结构    void ArrayToMat(int *Arr, int n, MGraph &g); //用普通数组构造图的邻接矩阵    void ArrayToList(int *Arr, int n, ALGraph *&); //用普通数组构造图的邻接表    void MatToList(MGraph g,ALGraph *&G);//将邻接矩阵g转换成邻接表G    void ListToMat(ALGraph *G,MGraph &g);//将邻接表G转换成邻接矩阵g    void DispMat(MGraph g);//输出邻接矩阵g    void DispAdj(ALGraph *G);//输出邻接表G    #endif // GRAPH_H_INCLUDED

 

    //源文件：graph.cpp，包含实现各种算法的函数的定义    #include <stdio.h>    #include <malloc.h>    #include "graph.h"    //功能：由一个反映图中顶点邻接关系的二维数组，构造出用邻接矩阵存储的图    //参数：Arr - 数组名，由于形式参数为二维数组时必须给出每行的元素个数，在此将参数Arr声明为一维数组名（指向int的指针）    //      n - 矩阵的阶数    //      g - 要构造出来的邻接矩阵数据结构    void ArrayToMat(int *Arr, int n, MGraph &g)    {        int i,j,count=0;  //count用于统计边数，即矩阵中非0元素个数        g.n=n;        for (i=0; i<g.n; i++)            for (j=0; j<g.n; j++)            {                g.edges[i][j]=Arr[i*n+j]; //将Arr看作n×n的二维数组，Arr[i*n+j]即是Arr[i][j]，计算存储位置的功夫在此应用                if(g.edges[i][j]!=0)                    count++;            }        g.e=count;    }    void ArrayToList(int *Arr, int n, ALGraph *&G)    {        int i,j,count=0;  //count用于统计边数，即矩阵中非0元素个数        ArcNode *p;        G=(ALGraph *)malloc(sizeof(ALGraph));        G->n=n;        for (i=0; i<n; i++)                 //给邻接表中所有头节点的指针域置初值            G->adjlist[i].firstarc=NULL;        for (i=0; i<n; i++)                 //检查邻接矩阵中每个元素            for (j=n-1; j>=0; j--)                if (Arr[i*n+j]!=0)      //存在一条边，将Arr看作n×n的二维数组，Arr[i*n+j]即是Arr[i][j]                {                    p=(ArcNode *)malloc(sizeof(ArcNode));   //创建一个节点*p                    p->adjvex=j;                    p->info=Arr[i*n+j];                    p->nextarc=G->adjlist[i].firstarc;      //采用头插法插入*p                    G->adjlist[i].firstarc=p;                }        G->e=count;    }    void MatToList(MGraph g, ALGraph *&G)    //将邻接矩阵g转换成邻接表G    {        int i,j;        ArcNode *p;        G=(ALGraph *)malloc(sizeof(ALGraph));        for (i=0; i<g.n; i++)                   //给邻接表中所有头节点的指针域置初值            G->adjlist[i].firstarc=NULL;        for (i=0; i<g.n; i++)                   //检查邻接矩阵中每个元素            for (j=g.n-1; j>=0; j--)                if (g.edges[i][j]!=0)       //存在一条边                {                    p=(ArcNode *)malloc(sizeof(ArcNode));   //创建一个节点*p                    p->adjvex=j;                    p->info=g.edges[i][j];                    p->nextarc=G->adjlist[i].firstarc;      //采用头插法插入*p                    G->adjlist[i].firstarc=p;                }        G->n=g.n;        G->e=g.e;    }    void ListToMat(ALGraph *G,MGraph &g)    //将邻接表G转换成邻接矩阵g    {        int i,j;        ArcNode *p;        g.n=G->n;   //根据一楼同学“举报”改的。g.n未赋值，下面的初始化不起作用        g.e=G->e;        for (i=0; i<g.n; i++)   //先初始化邻接矩阵            for (j=0; j<g.n; j++)                g.edges[i][j]=0;        for (i=0; i<G->n; i++)  //根据邻接表，为邻接矩阵赋值        {            p=G->adjlist[i].firstarc;            while (p!=NULL)            {                g.edges[i][p->adjvex]=p->info;                p=p->nextarc;            }        }    }    void DispMat(MGraph g)    //输出邻接矩阵g    {        int i,j;        for (i=0; i<g.n; i++)        {            for (j=0; j<g.n; j++)                if (g.edges[i][j]==INF)                    printf("%3s","∞");                else                    printf("%3d",g.edges[i][j]);            printf("\n");        }    }    void DispAdj(ALGraph *G)    //输出邻接表G    {        int i;        ArcNode *p;        for (i=0; i<G->n; i++)        {            p=G->adjlist[i].firstarc;            printf("%3d: ",i);            while (p!=NULL)            {                printf("-->%d/%d ",p->adjvex,p->info);                p=p->nextarc;            }            printf("\n");        }    }

//编写main函数进行相关测试.#include <stdio.h>#include <malloc.h>#include "graph.h"#define MaxSize 100typedef struct{    int u;     //边的起始顶点    int v;     //边的终止顶点    int w;     //边的权值} Edge;void InsertSort(Edge E[],int n) //对E[0..n-1]按递增有序进行直接插入排序{    int i,j;    Edge temp;    for (i=1; i<n; i++)    {        temp=E[i];        j=i-1;              //从右向左在有序区E[0..i-1]中找E[i]的插入位置        while (j>=0 && temp.w<E[j].w)        {            E[j+1]=E[j];    //将关键字大于E[i].w的记录后移            j--;        }        E[j+1]=temp;        //在j+1处插入E[i]    }}void Kruskal(MGraph g){    int i,j,u1,v1,sn1,sn2,k;    int vset[MAXV];    Edge E[MaxSize];    //存放所有边    k=0;                //E数组的下标从0开始计    for (i=0; i<g.n; i++)   //由g产生的边集E        for (j=0; j<g.n; j++)            if (g.edges[i][j]!=0 && g.edges[i][j]!=INF)            {                E[k].u=i;                E[k].v=j;                E[k].w=g.edges[i][j];                k++;            }    InsertSort(E,g.e);      //采用直接插入排序对E数组按权值递增排序    for (i=0; i<g.n; i++)   //初始化辅助数组        vset[i]=i;    k=1;    //k表示当前构造生成树的第几条边,初值为1    j=0;    //E中边的下标,初值为0    while (k<g.n)       //生成的边数小于n时循环    {        u1=E[j].u;        v1=E[j].v;      //取一条边的头尾顶点        sn1=vset[u1];        sn2=vset[v1];   //分别得到两个顶点所属的集合编号        if (sn1!=sn2)   //两顶点属于不同的集合        {            printf("  (%d,%d):%d\n",u1,v1,E[j].w);            k++;                     //生成边数增1            for (i=0; i<g.n; i++)   //两个集合统一编号                if (vset[i]==sn2)   //集合编号为sn2的改为sn1                    vset[i]=sn1;        }        j++;               //扫描下一条边    }}int main(){    MGraph g;    int A[6][6]=    {        {0,6,1,5,INF,INF},        {6,0,5,INF,3,INF},        {1,5,0,5,6,4},        {5,INF,5,0,INF,2},        {INF,3,6,INF,0,6},        {INF,INF,4,2,6,0}    };    ArrayToMat(A[0], 6, g);    printf("最小生成树构成:\n");    Kruskal(g);    return 0;}

输出结果:

我的学习心得:

我的学习心得:

以上代码取自老师的代码,而测试用图也是老师的一个环的简单图.

根据学习方案的问题,我又从新对下图进行了分析,以及将原先的A[6][6],从新改写为B[6][6]的邻接数组,并进行相关测试:

int main(){    MGraph g;    int A[6][6]=    {        {0,10,INF,INF,19,21},        {10,0,5,6,INF,11},        {INF,5,0,6,INF,INF},        {INF,6,6,0,18,14},        {19,INF,INF,18,0,33},        {21,11,INF,14,33,0}    };    ArrayToMat(A[0], 6, g);    printf("最小生成树构成:\n");    Kruskal(g);    return 0;}

输出结果:

克鲁斯卡尔算法知识点:

克鲁斯卡尔算法:
克鲁斯卡尔(Kruskal)算法是一种按权值的递增次序选择合适的边来构造最小生成树的方法.假设G=(V,E)是一个具有n个顶点的带权连通无向图,T=(U,TE)是G的最小生成树,则构造最小生成树的步骤如下:
(1) 置U的初值等于V(即包含G中的全部顶点),TE的初值为空集(即图T中每一个顶点都构成一个分量).
(2) 将图G中的边按权值从小到大的顺序依次选取,若选取的边未使生成树T形成回路,则加入TE,否则舍弃,知道TE中包含(n-1)条边为止.

实现克鲁斯卡尔算法的关键是判断选取的边是否与生成树中已保留的边形成回路,这可通过判断边的两个顶点所在的连通分量来解决.为此设置一个辅助数组vset[0..n-1],它用于判断两个顶点之间是否连通.数组元素vset[i](初值为i)代表编号为i的顶点所属的连通子图的编号(当选中两个不连通的顶点时,它们分属的两个顶点集合按其中的一个重新统一编号).当两个顶点的集合编号不同时,加入这两个顶点构成的边到最小生成树中一定不会形成回路.

在实现克鲁斯卡尔算法Kruskal()时,用一个数组E[]存放图G中的所有边,并且要求它们是按权值从小到大的顺序排列的,为此先从图G的邻接矩阵中获取边集E,再采用直接插入排序法对边集E按权值递增排序.

以图一为例: