Зачем получать минимальную вершину в алгоритме Prim MST?

Насколько я понимаю, алгоритм Prim MST будет проходить по всем вершинам графа, выбирая ОДНО лучшее ребро для перехода к каждой вершине. Следовательно, каждая итерация будет выбирать оптимальную стоимость для каждой соседней вершины. Следовательно, какая бы вершина ни использовалась первой, конечный результат должен быть одинаковым, так как оптимальные затраты выбираются еще до выбора следующей вершины.

Таким образом, я не понимаю, почему алгоритм должен выбирать вершину с наименьшей стоимостью на каждой итерации. Чтобы сделать мое описание более понятным, я включил пример кода и диаграмму с сайта geeksforgeeks.org:

Источник: www.geeksforgeeks.org

// A C / C++ program for Prim's Minimum Spanning Tree (MST) algorithm. 
// The program is for adjacency matrix representation of the graph

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

// Number of vertices in the graph
#define V 5

// A utility function to find the vertex with minimum key value, from
// the set of vertices not yet included in MST
int minKey(int key[], bool mstSet[])
{
   // Initialize min value
   int min = INT_MAX, min_index;

   for (int v = 0; v < V; v++)
     if (mstSet[v] == false && key[v] < min)
         min = key[v], min_index = v;

   return min_index;
}

// A utility function to print the constructed MST stored in parent[]
int printMST(int parent[], int n, int graph[V][V])
{
   printf("Edge   Weight\n");
   for (int i = 1; i < V; i++)
      printf("%d - %d    %d \n", parent[i], i, graph[i][parent[i]]);
}

// Function to construct and print MST for a graph represented using adjacency
// matrix representation
void primMST(int graph[V][V])
{
     int parent[V]; // Array to store constructed MST
     int key[V];   // Key values used to pick minimum weight edge in cut
     bool mstSet[V];  // To represent set of vertices not yet included in MST

     // Initialize all keys as INFINITE
     for (int i = 0; i < V; i++)
        key[i] = INT_MAX, mstSet[i] = false;

     // Always include first 1st vertex in MST.
     key[0] = 0;     // Make key 0 so that this vertex is picked as first vertex
     parent[0] = -1; // First node is always root of MST 

     // The MST will have V vertices
     for (int count = 0; count < V-1; count++)
     {
        // Pick thd minimum key vertex from the set of vertices
        // not yet included in MST
        int u = minKey(key, mstSet);

        // Add the picked vertex to the MST Set
        mstSet[u] = true;

        // Update key value and parent index of the adjacent vertices of
        // the picked vertex. Consider only those vertices which are not yet
        // included in MST
        for (int v = 0; v < V; v++)

           // graph[u][v] is non zero only for adjacent vertices of m
           // mstSet[v] is false for vertices not yet included in MST
           // Update the key only if graph[u][v] is smaller than key[v]
          if (graph[u][v] && mstSet[v] == false && graph[u][v] <  key[v])
             parent[v]  = u, key[v] = graph[u][v];
     }

     // print the constructed MST
     printMST(parent, V, graph);
}


// driver program to test above function
int main()
{
   /* Let us create the following graph
          2    3
      (0)--(1)--(2)
       |   / \   |
      6| 8/   \5 |7
       | /     \ |
      (3)-------(4)
            9          */
   int graph[V][V] = {{0, 2, 0, 6, 0},
                      {2, 0, 3, 8, 5},
                      {0, 3, 0, 0, 7},
                      {6, 8, 0, 0, 9},
                      {0, 5, 7, 9, 0},
                     };

    // Print the solution
    primMST(graph);

    return 0;
}

Из следующего блока кода видно, что каждая итерация будет выбирать оптимальный вес для каждого соседа (в этом случае есть только одно ребро, соединяющее любые две вершины):

if (graph[u][v] && mstSet[v] == false && graph[u][v] < key[v])
    parent[v] = u, key[v] = graph[u][v];

В качестве примера возьмем вершину 7, у нее 3 ребра. ребро 6-7 в конечном итоге будет выбрано из ребер 0-7, 8-7 и 6-7, так как его вес минимальный, независимо от того, оцениваем ли мы сначала вершину 0-7, 8-7 или 6-7, потому что оптимальный вес = min(вес всех смежных ребер). Следовательно, кажется излишним выбирать вершину минимального веса на каждой итерации.

Может ли кто-нибудь объяснить мне, какова цель выбора вершины минимального веса для каждой итерации, как в следующем блоке кода?

// Pick thd minimum key vertex from the set of vertices
// not yet included in MST
int u = minKey(key, mstSet);

person Donald    schedule 14.08.2016    source источник


Ответы (1)


В качестве примера возьмем вершину 7, у нее 3 ребра. ребро 6-7 в конечном итоге будет выбрано из ребер 0-7, 8-7 и 6-7, так как его вес минимальный, независимо от того, оцениваем ли мы сначала вершину 0-7, 8-7 или 6-7, потому что оптимальный вес = min(вес всех смежных ребер). Следовательно, кажется излишним выбирать вершину минимального веса на каждой итерации.

Похоже, вы путаете цели двух циклов. Внутренний цикл ничего не выбирает. Он просто считает вес. Это внешний цикл, который делает выбор.

Посмотрите на это с другой стороны. Представьте себе для начала всего один цикл, и что мы уже подобрали случайную начальную вершину. Теперь эту петлю нужно подобрать ребром. Конечно, он проходит по соседним краям и подбирает минимум. Неважно, как он это делает: присваиваются ли веса вершинам или он просто перебирает ребра и выбирает лучший.

Однако все усложняется, когда вершин становится все больше и больше. Как только вы добавите еще одну вершину, вы, возможно, найдете лучший способ получить новую. Предположим, вы начинаете с вершины 2. Вы добавляете вершину 8. Теперь вы можете перейти к 1 из 2 (вес 8), 3 к 2 (вес 7), 6 к 8 (вес 6), 7 к 8 (вес 7). Однако, как только вы переходите к 6 из 8, теперь у вас есть лучший способ перейти к 7 из 6 с весом всего 1, а не с весом 7 (ребро 8–7). Поэтому вам нужно обновить свое представление о лучшем пути.

Один из способов сделать это — просто перебрать все ребра, смежные каждой вершине, уже включенной в набор MST, на каждой итерации и выбрать лучшее из них. Это вводит два внутренних цикла для поиска минимума: один по вершинам в наборе MST, другой по ребрам, смежным с каждой такой вершиной. Для почти полного графа с n вершинами и примерно n^2 ребрами вы получите всего O(n^3).

Вместо этого этот алгоритм делает цикл только по вершинам, а не по ребрам. Каждая вершина сохраняет вес самого простого пути из текущего набора MST. Это позволяет нам разделить внутренний цикл на два. Лучшая следующая вершина находится путем перебора всех вершин. Он выбирает лучший смежный, потому что несмежные имеют бесконечные веса. Это именно то, что делает запутанная линия. Это O(n).

Другой внутренний цикл обновляет веса. Однако, поскольку обновления могут быть вызваны только добавлением новой вершины, необходимо учитывать только ребра, смежные с этой конкретной вершиной! Это снова O(n) (при почти полном графике). Таким образом, вы снижаете сложность до O(n^2) для всех трех циклов.

На самом деле, если вы используете матрицу смежности, даже не имеет значения, полный граф или нет. Чтобы избавиться от этой части minKey, вам нужно сделать три вложенных цикла: первый внутренний будет перебирать все вершины в наборе MST, самый внутренний будет перебирать его соседние ребра, включая не - существующие. Трюк minKey позволяет иметь только это:

    // Update key value and parent index of the adjacent vertices of
    // the picked vertex. Consider only those vertices which are not yet
    // included in MST
    for (int v = 0; v < V; v++) // note there is no loop over `u`!
person Sergei Tachenov    schedule 14.08.2016