PTA 6-1 最小生成树(普里姆算法)使用递归

news2025/1/10 3:15:37

普利姆算法的原理


普里姆算法查找最小生成树的过程,采用了贪心算法的思想。对于包含 N 个顶点的连通网,普里姆算法每次从连通网中找出一个权值最小的边,这样的操作重复 N-1 次,由 N-1 条权值最小的边组成的生成树就是最小生成树。

那么,如何找出 N-1 条权值最小的边呢?普里姆算法的实现思路是:

  1. 将连通网中的所有顶点分为两类(假设为 A 类和 B 类)。初始状态下,所有顶点位于 B 类;
  2. 选择任意一个顶点,将其从 B 类移动到 A 类;
  3. 从 B 类的所有顶点出发,找出一条连接着 A 类中的某个顶点且权值最小的边,将此边连接着的 A 类中的顶点移动到 B 类;
  4. 重复执行第 3  步,直至 B 类中的所有顶点全部移动到 A 类,恰好可以找到 N-1 条边。


举个例子,下图是一个连通网,使用普里姆算法查找最小生成树,需经历以下几个过程:
 


图 1 连通网


1) 将图中的所有顶点分为 A 类和 B 类,初始状态下,A = {},B = {A, B, C, D, S, T}。

2) 从 B 类中任选一个顶点,假设选择 S 顶点,将其从 B 类移到 A 类,A = {S},B = {A, B, C, D, T}。从 A 类的 S 顶点出发,到达 B 类中顶点的边有 2 个,分别是 S-A 和 S-C,其中 S-A 边的权值最小,所以选择 S-A 边组成最小生成树,将 A 顶点从 B 类移到 A 类,A = {S, A},B = {B, C, D, T}。
 


图 2 S-A 边组成最小生成树


3) 从 A 类中的 S、A 顶点出发,到达 B 类中顶点的边有 3 个,分别是 S-C、A-C、A-B,其中 A-C 的权值最小,所以选择 A-C 组成最小生成树,将顶点 C 从 B 类移到 A 类,A = {S, A, C},B = {B, D, T}。
 


图 3 A-C 边组成最小生成树


4) 从 A 类中的 S、A、C 顶点出发,到达 B 类顶点的边有 S-C、A-B、C-B、C-D,其中 C-D 边的权值最小,所以选择 C-D 组成最小生成树,将顶点 D 从 B 类移到 A 类,A = {S, A, C, D},B = {B, T}。
 


图 4 C-D 边组成最小生成树


5) 从 A 类中的 S、A、C、D 顶点出发,到达 B 类顶点的边有 A-B、C-B、D-B、D-T,其中 D-B 和 D-T 的权值最小,任选其中的一个,例如选择 D-B 组成最小生成树,将顶点 B 从 B 类移到 A 类,A = {S, A, C, D, B},B = {T}。
 


图 5 D-B 边组成最小生成树


6) 从 A 类中的 S、A、C、D、B 顶点出发,到达 B 类顶点的边有 B-T、D-T,其中 D-T 的权值最小,选择 D-T 组成最小生成树,将顶点 T 从 B 类移到 A 类,A = {S, A, C, D, B, T},B = {}。
 


图 6 D-T 边组成最小生成树


7) 由于 B 类中的顶点全部移到了 A 类,因此 S-A、A-C、C-D、D-B、D-T 组成的是一个生成树,而且是一个最小生成树,它的总权值为 17。
 

 详细参考prim算法(普里姆算法)详解 (biancheng.net)

试实现普里姆最小生成树算法。

函数接口定义:

void Prim(AMGraph G, char u);

其中 G是基于邻接矩阵存储表示的无向图,u表示起点

裁判测试程序样例

#include <iostream>
#define MVNum 10
#define MaxInt 32767 
using namespace std;

struct edge{
    char adjvex;
    int lowcost;
}closedge[MVNum];

typedef struct{ 
    char vexs[MVNum];   
    int arcs[MVNum][MVNum]; 
    int vexnum,arcnum;
}AMGraph;
int LocateVex(AMGraph G , char v);//实现细节隐藏
int Min(AMGraph G);//实现细节隐藏
int CreateUDN(AMGraph &G);//实现细节隐藏

void Prim(AMGraph G, char u);

int main(){
    AMGraph G;
    CreateUDN(G);
    char u;
    cin >> u;
    Prim(G , u);
    return 0;
}

/* 请在这里填写答案 */

输入样例:

第1行输入结点数vexnum和边数arcnum。第2行输入vexnum个字符表示结点的值,接下来依次输入arcnum行,每行输入3个值,前两个字符表示结点,后一个数表示两个结点之间边的权值。最后一行输入一个字符表示最小生成树的起始结点。

7 9
0123456
0 1 28
0 5 10
1 2 16
1 6 14
2 3 12
3 6 18
3 4 22
4 5 25
4 6 24
0

输出样例:

按最小生成树的生成顺序输出每条边。

0->5
5->4
4->3
3->2
2->1
1->6

代码长度限制
16 KB
时间限制
400 ms
内存限制
64 MB

代码实现部分

/*辅助数组 标记顶点不会重复*/
int visited[MVNum] = {0};
/*计数器 当边数为 顶点-1 时 结束递归,因为最小生成树的边为顶点-1*/
int count=0;
void Prim(AMGraph G, char u){
    /* 递归结束*/
    if(count==G.vexnum-1)return;
    ++count;
    /*获取顶点在图中的下标*/
    int index = LocateVex(G,u);
    /*标记当前顶点已经被使用*/
    visited[index] = 1;
    int min = MaxInt;
    int minIndex = 0;
    /*寻找当前顶点所连接的最小边 或 权值*/
    for(int i = 0;i<G.vexnum;++i){
        if(G.arcs[index][i]<min&&visited[i]!=1){
            min = G.arcs[index][i];
            minIndex = i;
        }
    }
    /*打印出来*/
    printf("%d->%d\n",index,minIndex);
    /*从找出来的最小顶点作为下一个递归的参数找与它连接的最小权值*/
    Prim(G,G.vexs[minIndex]);
    
}

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