W tym samouczku dowiesz się, jak działa algorytm Kruskala. Znajdziesz również działające przykłady algorytmu Kruskala w językach C, C ++, Java i Python.
Algorytm Kruskala to algorytm minimalnego drzewa rozpinającego, który przyjmuje graf jako dane wejściowe i znajduje podzbiór krawędzi tego grafu, który
- tworzą drzewo, które zawiera każdy wierzchołek
- ma minimalną sumę wag wszystkich drzew, które można utworzyć na podstawie wykresu
Jak działa algorytm Kruskala
Należy do klasy algorytmów zwanych algorytmami zachłannymi, które znajdują optimum lokalne w nadziei znalezienia optimum globalnego.
Zaczynamy od krawędzi o najmniejszej wadze i dodajemy krawędzie, aż osiągniemy nasz cel.
Kroki implementacji algorytmu Kruskala są następujące:
- Sortuj wszystkie krawędzie od niskiej wagi do wysokiej
- Weź krawędź o najmniejszej wadze i dodaj ją do drzewa opinającego. Jeśli dodanie krawędzi utworzyło cykl, odrzuć tę krawędź.
- Dodawaj krawędzie, aż dotrzemy do wszystkich wierzchołków.
Przykład algorytmu Kruskala
Zacznij od wykresu ważonego 
Wybierz krawędź o najmniejszej wadze, jeśli jest więcej niż 1, wybierz dowolną 
Wybierz następną najkrótszą krawędź i dodaj ją 
Wybierz następną najkrótszą krawędź, która nie tworzy cyklu i dodaj ją 
Wybierz następną najkrótszą krawędź to nie tworzy cyklu i nie dodaje go. 
Powtarzaj, dopóki nie uzyskasz drzewa opinającego
Pseudokod algorytmu Kruskala
Każdy algorytm minimalnego drzewa opinającego polega na sprawdzaniu, czy dodanie krawędzi tworzy pętlę, czy nie.
Najczęstszym sposobem sprawdzenia tego jest algorytm zwany Union FInd. Algorytm Union-Find dzieli wierzchołki na klastry i pozwala nam sprawdzić, czy dwa wierzchołki należą do tego samego klastra, czy nie, a tym samym zdecydować, czy dodanie krawędzi tworzy cykl.
KRUSKAL(G): A = ∅ For each vertex v ∈ G.V: MAKE-SET(v) For each edge (u, v) ∈ G.E ordered by increasing order by weight(u, v): if FIND-SET(u) ≠ FIND-SET(v): A = A ∪ ((u, v)) UNION(u, v) return A
Przykłady w Pythonie, Javie i C / C ++
Python Java C C ++ # Kruskal's algorithm in Python class Graph: def __init__(self, vertices): self.V = vertices self.graph = () def add_edge(self, u, v, w): self.graph.append((u, v, w)) # Search function def find(self, parent, i): if parent(i) == i: return i return self.find(parent, parent(i)) def apply_union(self, parent, rank, x, y): xroot = self.find(parent, x) yroot = self.find(parent, y) if rank(xroot) rank(yroot): parent(yroot) = xroot else: parent(yroot) = xroot rank(xroot) += 1 # Applying Kruskal algorithm def kruskal_algo(self): result = () i, e = 0, 0 self.graph = sorted(self.graph, key=lambda item: item(2)) parent = () rank = () for node in range(self.V): parent.append(node) rank.append(0) while e < self.V - 1: u, v, w = self.graph(i) i = i + 1 x = self.find(parent, u) y = self.find(parent, v) if x != y: e = e + 1 result.append((u, v, w)) self.apply_union(parent, rank, x, y) for u, v, weight in result: print("%d - %d: %d" % (u, v, weight)) g = Graph(6) g.add_edge(0, 1, 4) g.add_edge(0, 2, 4) g.add_edge(1, 2, 2) g.add_edge(1, 0, 4) g.add_edge(2, 0, 4) g.add_edge(2, 1, 2) g.add_edge(2, 3, 3) g.add_edge(2, 5, 2) g.add_edge(2, 4, 4) g.add_edge(3, 2, 3) g.add_edge(3, 4, 3) g.add_edge(4, 2, 4) g.add_edge(4, 3, 3) g.add_edge(5, 2, 2) g.add_edge(5, 4, 3) g.kruskal_algo()
// Kruskal's algorithm in Java import java.util.*; class Graph ( class Edge implements Comparable ( int src, dest, weight; public int compareTo(Edge compareEdge) ( return this.weight - compareEdge.weight; ) ); // Union class subset ( int parent, rank; ); int vertices, edges; Edge edge(); // Graph creation Graph(int v, int e) ( vertices = v; edges = e; edge = new Edge(edges); for (int i = 0; i < e; ++i) edge(i) = new Edge(); ) int find(subset subsets(), int i) ( if (subsets(i).parent != i) subsets(i).parent = find(subsets, subsets(i).parent); return subsets(i).parent; ) void Union(subset subsets(), int x, int y) ( int xroot = find(subsets, x); int yroot = find(subsets, y); if (subsets(xroot).rank subsets(yroot).rank) subsets(yroot).parent = xroot; else ( subsets(yroot).parent = xroot; subsets(xroot).rank++; ) ) // Applying Krushkal Algorithm void KruskalAlgo() ( Edge result() = new Edge(vertices); int e = 0; int i = 0; for (i = 0; i < vertices; ++i) result(i) = new Edge(); // Sorting the edges Arrays.sort(edge); subset subsets() = new subset(vertices); for (i = 0; i < vertices; ++i) subsets(i) = new subset(); for (int v = 0; v < vertices; ++v) ( subsets(v).parent = v; subsets(v).rank = 0; ) i = 0; while (e < vertices - 1) ( Edge next_edge = new Edge(); next_edge = edge(i++); int x = find(subsets, next_edge.src); int y = find(subsets, next_edge.dest); if (x != y) ( result(e++) = next_edge; Union(subsets, x, y); ) ) for (i = 0; i < e; ++i) System.out.println(result(i).src + " - " + result(i).dest + ": " + result(i).weight); ) public static void main(String() args) ( int vertices = 6; // Number of vertices int edges = 8; // Number of edges Graph G = new Graph(vertices, edges); G.edge(0).src = 0; G.edge(0).dest = 1; G.edge(0).weight = 4; G.edge(1).src = 0; G.edge(1).dest = 2; G.edge(1).weight = 4; G.edge(2).src = 1; G.edge(2).dest = 2; G.edge(2).weight = 2; G.edge(3).src = 2; G.edge(3).dest = 3; G.edge(3).weight = 3; G.edge(4).src = 2; G.edge(4).dest = 5; G.edge(4).weight = 2; G.edge(5).src = 2; G.edge(5).dest = 4; G.edge(5).weight = 4; G.edge(6).src = 3; G.edge(6).dest = 4; G.edge(6).weight = 3; G.edge(7).src = 5; G.edge(7).dest = 4; G.edge(7).weight = 3; G.KruskalAlgo(); ) )
// Kruskal's algorithm in C #include #define MAX 30 typedef struct edge ( int u, v, w; ) edge; typedef struct edge_list ( edge data(MAX); int n; ) edge_list; edge_list elist; int Graph(MAX)(MAX), n; edge_list spanlist; void kruskalAlgo(); int find(int belongs(), int vertexno); void applyUnion(int belongs(), int c1, int c2); void sort(); void print(); // Applying Krushkal Algo void kruskalAlgo() ( int belongs(MAX), i, j, cno1, cno2; elist.n = 0; for (i = 1; i < n; i++) for (j = 0; j < i; j++) ( if (Graph(i)(j) != 0) ( elist.data(elist.n).u = i; elist.data(elist.n).v = j; elist.data(elist.n).w = Graph(i)(j); elist.n++; ) ) sort(); for (i = 0; i < n; i++) belongs(i) = i; spanlist.n = 0; for (i = 0; i < elist.n; i++) ( cno1 = find(belongs, elist.data(i).u); cno2 = find(belongs, elist.data(i).v); if (cno1 != cno2) ( spanlist.data(spanlist.n) = elist.data(i); spanlist.n = spanlist.n + 1; applyUnion(belongs, cno1, cno2); ) ) ) int find(int belongs(), int vertexno) ( return (belongs(vertexno)); ) void applyUnion(int belongs(), int c1, int c2) ( int i; for (i = 0; i < n; i++) if (belongs(i) == c2) belongs(i) = c1; ) // Sorting algo void sort() ( int i, j; edge temp; for (i = 1; i < elist.n; i++) for (j = 0; j elist.data(j + 1).w) ( temp = elist.data(j); elist.data(j) = elist.data(j + 1); elist.data(j + 1) = temp; ) ) // Printing the result void print() ( int i, cost = 0; for (i = 0; i < spanlist.n; i++) ( printf("%d - %d : %d", spanlist.data(i).u, spanlist.data(i).v, spanlist.data(i).w); cost = cost + spanlist.data(i).w; ) printf("Spanning tree cost: %d", cost); ) int main() ( int i, j, total_cost; n = 6; Graph(0)(0) = 0; Graph(0)(1) = 4; Graph(0)(2) = 4; Graph(0)(3) = 0; Graph(0)(4) = 0; Graph(0)(5) = 0; Graph(0)(6) = 0; Graph(1)(0) = 4; Graph(1)(1) = 0; Graph(1)(2) = 2; Graph(1)(3) = 0; Graph(1)(4) = 0; Graph(1)(5) = 0; Graph(1)(6) = 0; Graph(2)(0) = 4; Graph(2)(1) = 2; Graph(2)(2) = 0; Graph(2)(3) = 3; Graph(2)(4) = 4; Graph(2)(5) = 0; Graph(2)(6) = 0; Graph(3)(0) = 0; Graph(3)(1) = 0; Graph(3)(2) = 3; Graph(3)(3) = 0; Graph(3)(4) = 3; Graph(3)(5) = 0; Graph(3)(6) = 0; Graph(4)(0) = 0; Graph(4)(1) = 0; Graph(4)(2) = 4; Graph(4)(3) = 3; Graph(4)(4) = 0; Graph(4)(5) = 0; Graph(4)(6) = 0; Graph(5)(0) = 0; Graph(5)(1) = 0; Graph(5)(2) = 2; Graph(5)(3) = 0; Graph(5)(4) = 3; Graph(5)(5) = 0; Graph(5)(6) = 0; kruskalAlgo(); print(); )
// Kruskal's algorithm in C++ #include #include #include using namespace std; #define edge pair class Graph ( private: vector
G; // graph vector
T; // mst int *parent; int V; // number of vertices/nodes in graph public: Graph(int V); void AddWeightedEdge(int u, int v, int w); int find_set(int i); void union_set(int u, int v); void kruskal(); void print(); ); Graph::Graph(int V) ( parent = new int(V); //i 0 1 2 3 4 5 //parent(i) 0 1 2 3 4 5 for (int i = 0; i < V; i++) parent(i) = i; G.clear(); T.clear(); ) void Graph::AddWeightedEdge(int u, int v, int w) ( G.push_back(make_pair(w, edge(u, v))); ) int Graph::find_set(int i) ( // If i is the parent of itself if (i == parent(i)) return i; else // Else if i is not the parent of itself // Then i is not the representative of his set, // so we recursively call Find on its parent return find_set(parent(i)); ) void Graph::union_set(int u, int v) ( parent(u) = parent(v); ) void Graph::kruskal() ( int i, uRep, vRep; sort(G.begin(), G.end()); // increasing weight for (i = 0; i < G.size(); i++) ( uRep = find_set(G(i).second.first); vRep = find_set(G(i).second.second); if (uRep != vRep) ( T.push_back(G(i)); // add to tree union_set(uRep, vRep); ) ) ) void Graph::print() ( cout << "Edge :" << " Weight" << endl; for (int i = 0; i < T.size(); i++) ( cout << T(i).second.first << " - " << T(i).second.second << " : " << T(i).first; cout << endl; ) ) int main() ( Graph g(6); g.AddWeightedEdge(0, 1, 4); g.AddWeightedEdge(0, 2, 4); g.AddWeightedEdge(1, 2, 2); g.AddWeightedEdge(1, 0, 4); g.AddWeightedEdge(2, 0, 4); g.AddWeightedEdge(2, 1, 2); g.AddWeightedEdge(2, 3, 3); g.AddWeightedEdge(2, 5, 2); g.AddWeightedEdge(2, 4, 4); g.AddWeightedEdge(3, 2, 3); g.AddWeightedEdge(3, 4, 3); g.AddWeightedEdge(4, 2, 4); g.AddWeightedEdge(4, 3, 3); g.AddWeightedEdge(5, 2, 2); g.AddWeightedEdge(5, 4, 3); g.kruskal(); g.print(); return 0; )
Algorytm Kruskala kontra Prim
Algorytm Prima to kolejny popularny algorytm minimalnego drzewa rozpinającego, który używa innej logiki do znalezienia MST grafu. Zamiast zaczynać od krawędzi, algorytm Prim zaczyna od wierzchołka i dodaje krawędzie o najniższej wadze, których nie ma w drzewie, dopóki wszystkie wierzchołki nie zostaną pokryte.
Złożoność algorytmu Kruskala
Złożoność czasowa algorytmu Kruskala to: O (E log E).
Aplikacje algorytmów Kruskala
- W celu ułożenia przewodów elektrycznych
- W sieci komputerowej (połączenie LAN)
