最小生成树 && 次小生成树

最近回顾了一下图论中的最小生成树算法,又学习了“次小生成树”的算法。

最小生成树

Kruskal 算法

对所有边进行排序,用并查集维护连通性,从小到大枚举边,判断当前边的起止点是否在同一连通块中,若不是,则加入这条边,否则放弃这条边。

图结构需要以边集数组储存。

时间复杂度为 O(m{\log}m) (其中 m 为边数)。

据说适用于稀疏图。

struct UndirectedEdge {
    int u, v, w;

    UndirectedEdge() {}
    UndirectedEdge(int u, int v, int w) : u(u), v(v), w(w) {}

    bool operator<(const UndirectedEdge &other) const {
        return w < other.w;
    }
} edges[MAXM];

struct UnionFindSet {
    int f[MAXN];

    UnionFindSet(int n) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            f[i] = i;
        }
    }

    int find(int x) {
        return f[x] == x ? x : f[x] = find(f[x]);
    }

    void merge(int x, int y) {
        f[find(x)] = find(y);
    }
};

inline int kruskal() {
    int sum = 0, count = 0;
    UnionFindSet ufs(n);
    std::sort(edges, edges + m);

    for (int i = 0; i < m; i++) {
        if (ufs.find(edges[i].u) != ufs.find(edges[i].v)) {
            ufs.merge(edges[i].u, edges[i].v);
            sum += edges[i].w;
            count++;

            if (count == n - 1) {
                break;
            }
        }
    }

    return sum;
}

次小生成树

一个图的次小生成树,是指异于该图的最小生成树边权和最小的生成树。

注意,这里的次小生成树是非严格次小,即可能存在一个图,其最小生成树与次小生成树的边权和相等。

算法

不难得出,次小生成树可以由最小生成树更换一条边得到。

首先构造原图的最小生成树,然后枚举每一条不在最小生成树中的边 (u, v, w),尝试将这条边加入生成树,因为直接加入边会产生环,所以我们需要在加边之前删去最小生成树上 uv 的路径上权值最大的边。在枚举每一条边时我们都会得到一棵生成树,这些生成树中边权和最小的即为要求的次小生成树。

需要在构造最小生成树时将完整的树结构构造出来,并且使用树上倍增算法查询两点间边权值最大的值。

代码(POJ 1679)

链接:POJ 1679

题目要求判断最小生成树的唯一性。求出该图的非严格次小生成树,与最小生成树的权值和作比较即可。

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <climits>
#include <algorithm>
#include <queue>

const int MAXT = 20;
const int MAXN = 100;
const int MAXM = MAXN * (MAXN - 1) / 2;
const int MAXLOGN = 7;

struct UndirectedEdge {
    int u, v, w;
    bool used;

    UndirectedEdge() {}
    UndirectedEdge(int u, int v, int w) : u(u), v(v), w(w), used(false) {}

    bool operator<(const UndirectedEdge &other) const {
        return w < other.w;
    }
} edges[MAXM];

struct UnionFindSet {
    int f[MAXN];

    UnionFindSet(int n) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            f[i] = i;
        }
    }

    int find(int x) {
        return f[x] == x ? x : f[x] = find(f[x]);
    }

    void merge(int x, int y) {
        f[find(x)] = find(y);
    }
};

struct Edge;
struct Node;

struct Node {
    Edge *edges;
    int id;
    int depth;
} nodes[MAXN];

struct Edge {
    Node *from, *to;
    Edge *next;
    int w;

    Edge(Node *from, Node *to, int w) : from(from), to(to), w(w), next(from->edges) {}
};

struct SparseTable {
    Node *target;
    int max;
} f[MAXN][MAXLOGN + 1];

int t, n, m, logn;

inline void addEdge(int u, int v, int w) {
    nodes[u].edges = new Edge(&nodes[u], &nodes[v], w);
    nodes[v].edges = new Edge(&nodes[v], &nodes[u], w);
}

inline int kruskal() {
    int sum = 0, count = 0;
    UnionFindSet ufs(n);
    std::sort(edges, edges + m);

    for (int i = 0; i < m; i++) {
        if (ufs.find(edges[i].u) != ufs.find(edges[i].v)) {
            ufs.merge(edges[i].u, edges[i].v);
            sum += edges[i].w;
            count++;
            edges[i].used = true;
            addEdge(edges[i].u, edges[i].v, edges[i].w);

            if (count == n - 1) {
                break;
            }
        }
    }

    return sum;
}

inline int log(int x) {
    int i = 0;
    while ((1 << i) <= x) {
        i++;
    }

    return i;
}

inline void makeST() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        nodes[i].id = i;
    }

    f[0][0].target = &nodes[0];
    f[0][0].max = 0;

    nodes[0].depth = 1;
    std::queue<Node *> q;
    q.push(&nodes[0]);

    while (!q.empty()) {
        Node *node = q.front();
        q.pop();

        for (Edge *edge = node->edges; edge; edge = edge->next) {
            if (edge->to->depth == 0) {
                edge->to->depth = node->depth + 1;
                q.push(edge->to);
                f[edge->to->id][0].target = node;
                f[edge->to->id][0].max = edge->w;
            }
        }
    }

    for (int j = 1; j <= logn; j++) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            f[i][j].target = f[f[i][j - 1].target->id][j - 1].target;
            f[i][j].max = std::max(f[i][j - 1].max, f[f[i][j - 1].target->id][j - 1].max);
        }
    }
}

inline int queryMax(int u, int v) {
    Node *a = &nodes[u], *b = &nodes[v];

    if (a->depth < b->depth) {
        std::swap(a, b);
    }

    int max = 0;

    if (a->depth != b->depth) {
        for (int i = logn; i >= 0; i--) {
            if (f[a->id][i].target->depth >= b->depth) {
                max = std::max(max, f[a->id][i].max);
                a = f[a->id][i].target;
            }
        }
    }

    if (a != b) {
        for (int i = logn; i >= 0; i--) {
            if (f[a->id][i].target != f[b->id][i].target) {
                max = std::max(max, f[a->id][i].max);
                max = std::max(max, f[b->id][i].max);
                a = f[a->id][i].target;
                b = f[b->id][i].target;
            }
        }

        max = std::max(max, f[a->id][0].max);
        max = std::max(max, f[b->id][0].max);
    }

    return max;
}

int main() {
    scanf("%d", &t);

    while (~scanf("%d %d", &n, &m)) {
        logn = log(n);
        memset(edges, 0, sizeof(edges));
        memset(nodes, 0, sizeof(nodes));
        memset(f, 0, sizeof(f));

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u, v, w;
            scanf("%d %d %d", &u, &v, &w);
            u--, v--;

            edges[i] = UndirectedEdge(u, v, w);
        }

        int sum = kruskal();
        makeST();

        int ans = int_MAX;
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            if (!edges[i].used) {
                ans = std::min(ans, sum - queryMax(edges[i].u, edges[i].v) + edges[i].w);
            }
        }

        if (sum == ans) {
            puts("Not Unique!");
        } else {
            printf("%d\n", sum);
        }
    }

    return 0;
}