Python递归实现图的最小生成树算法

2023-04-16 00:00:00 算法 递归 最小

图的最小生成树算法的递归实现可以使用Prim算法或Kruskal算法。其中,Prim算法的递归实现可能更直观。

Prim算法的递归实现步骤如下:

  1. 初始化一个空的最小生成树,以及一个空的已访问节点集合
  2. 从任意一个节点开始,将该节点加入已访问节点集合
  3. 对于已访问节点集合中的每个节点,找到它可以到达但尚未访问过的节点中,权值最小的那个节点,并将它加入最小生成树,并将它标记为已访问
  4. 重复步骤3,直到所有节点都已经访问过,此时得到的就是最小生成树

以下是Python代码演示Prim算法的递归实现,其中节点使用字符串表示,权值用整数表示:

# 定义一个邻接矩阵表示图的权值
graph = {
    'pidancode.com': {'pidancode.com': 0,              'b': 1, 'c': 3},
    'b':            {'pidancode.com': 1, 'b': 0, 'd': 2, 'e': 6},
    'c':            {'pidancode.com': 3, 'd': 1, 'c': 0, 'e': 5},
    'd':            {'b': 2,              'c': 1, 'd': 0, 'e': 4},
    'e':            {'b': 6, 'c': 5, 'd': 4, 'e': 0}
}

# 定义Prim算法的递归函数
def prim(graph, visited, MST):
    # 如果已访问节点集合中的节点与图中的节点数量相同,说明已经访问完所有节点
    if len(visited) == len(graph):
        return MST
    else:
        # 如果还有节点未访问,继续寻找最小权值的边
        min_edge = None
        for v in visited:
            # 找到所有未访问过的邻居节点,并记录与它们的权值
            for neighbor, weight in graph[v].items():
                if neighbor not in visited:
                    # 如果该边比已知最小边更小,或还未设置最小边,则进行更新
                    if min_edge is None or weight < min_edge[2]:
                        min_edge = (v, neighbor, weight)

        # 将找到的最小边添加到最小生成树中,并将它的目标节点加入已访问节点集合
        MST.append(min_edge)
        visited.add(min_edge[1])

        # 继续递归寻找下一个最小边
        return prim(graph, visited, MST)

# 调用Prim算法递归函数,得到最小生成树
MST = prim(graph, set(['pidancode.com']), [])

# 输出最小生成树的所有边
for edge in MST:
    print(edge[0], edge[1], edge[2])

上述代码中,graph表示一个邻接矩阵图,其中字符串表示节点名称,整数表示权值。prim函数接受三个参数:graph表示邻接矩阵图,visited表示已访问过的节点集合,初始状态下只有一个节点‘pidancode.com’被访问过;MST表示最小生成树,初始状态下为空列表。prim函数的返回值是最小生成树。

首先,prim函数判断已访问过的节点数量是否与图中节点数量相同。如果是,则说明已访问完所有节点,直接返回最小生成树。否则,寻找当前已访问节点集合中的节点可以到达但尚未访问过的节点中,权值最小的那个节点,并记录它与源节点的最小权值边。然后,将该边添加到最小生成树中,并将目标节点加入已访问节点集合。最后,继续递归寻找下一个最小边,直到所有节点都被访问过为止。

注意,Prim算法的递归实现需要使用Python集合来表示已访问节点集合,它支持高效地添加、遍历和检查元素。同时,在找到最小边时使用了Python元组来记录边信息,比使用列表或字典更方便。

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