Нахождение минимального остовного дерева алгоритмом Краскала

курсовая работа

3. Описание алгоритма Краскала

Алгоритм Краскала может строить дерево одновременно для нескольких компонент связности, которые в процессе решения объединяются в одно связанное дерево.

Полный граф задается списком ребер. Перед работой список ребер сортируется по возрастанию длины. На каждом шаге просматривается список ребер, начиная с ребра, следующего за вошедшим в решение на предыдущем шаге, и к строящемуся поддереву присоединяют то ребро, которое не образует цикла с ребрами, уже включенными в решение.

Алгоритм состоит из следующей последовательности действий:

1. Создается список ребер R, содержащий длину ребра, номер исходной вершины ребра (i), номер конечной вершины ребра (j), признак включения данного ребра в дерево.

2. Данный список упорядочивается в порядке возрастания длин ребер.

3. Просматривается список R и выбирается из него ребро с максимальной длиной, еще не включенное в результирующее дерево и не образующее цикла с уже построенными ребрами.

4. Если все вершины включены в дерево и количество ребер на единицу меньше количества вершин, то алгоритм свою работу закончил. В противном случае осуществляется возврат к пункту 3.

Или в терминах теории графов:

Дан граф с n вершинами; длины ребер заданы матрицей. Найти остовное дерево максимальной длины.

В задаче Прима-Краскала, которая не кажется особенно простой, жадный алгоритм дает точное оптимальное решение.

Как известно (это легко доказать по индукции), дерево с n вершинами имеет n-1 ребер. Оказывается, каждое ребро нужно выбирать жадно (лишь бы не возникали циклы). То есть n-1 раз выбирать самое короткое ребро из еще не выбранное ребро при условии, что оно не образует цикла с уже выбранными.

А как следить, чтобы новое ребро не образовывало цикла со старыми? Сделать это просто. До построения дерева окрасим каждую вершину i в отличный от других цвет i. При выборе очередного ребра, например (i, j), где i и j имеют разные цвета, вершина j и все, окрашенные в ее цвет (т.е. ранее с ней соединенные) перекрашиваются в цвет i. Таким образом, выбор вершин разного цвета обеспечивает отсутствие циклов. После выбора n-1 ребер все вершины получают один цвет.

Докажем, что описанный алгоритм получает в точности максимальное решение. Для доказательства нам понадобится очень простое утверждение:

Если к дереву добавить ребро, то в дереве появится цикл, содержащий это ребро.

Действительно, пусть добавлено ребро (u, v) - “добавлено” означает, что ребро - новое, что раньше его в дереве не было. Поскольку дерево является связанным графом, то существует цепь C (u, …, v) из нескольких ребер, соединяющая вершины u и v. Добавление ребра (u, v) замыкает цепь, превращая ее в цикл.

Теорема. Алгоритм Прима-Краскала получает максимальное остовное дерево.

Доказательство. Результатом работы алгоритма является набор из n-1 ребер. Они не образуют цикла, ибо на каждом из n-1 шагов соединялись вершины разного цвета, т.е. ранее не связанные. Этот граф связный, потому что после проведения 1-го ребра осталось n-1 разных цветов, …, после проведения (n-1) - го ребра остался один цвет, т.е. одна компонента связности. Итак, полученный набор ребер образует связный граф без циклов, содержащий n-1 ребер и n вершин. Следовательно, граф есть остовное дерево. Осталось доказать, что оно имеет минимальную длину. Пусть {, , …, } ребра остовного дерева в том порядке как их выбирал алгоритм, т.е. ?. Предположим для простоты доказательства, что все ребра сети имеют разную длину, т.е.

>>…> (1)

Если полученное дерево не максимально, то существует другое дерево, заданное набором из n-1 ребер {, , …, }, такое что сумма длин больше суммы длин . С точностью до обозначений

>>…> (2)

Может быть =, = и т.д., но так как деревья разные, то в последовательностях (1) и (2) найдется место, где ребра отличаются. Пусть самое левое такое место - k, так, что . Поскольку выбиралось по алгоритму самым большим из не образующих цикла с ребрами , , …, , то >. Теперь добавим к дереву (2) ребро . В нем появится цикл, содержащий ребро и, может быть, какие-то (или все) ребра , , …, , но они сами не образуют цикла, поэтому в цикле будет обязательно ребро d из набора , …, , причем d>. Выбросим из полученного графа с одним циклом ребро d. Мы снова получим дерево, но оно будет на d- короче минимального, что невозможно. Полученное противоречие доказывает теорему для сети со всеми разными ребрами.

Делись добром ;)