Python中使用Prim算法解决最小生成树问题

2023-04-11 00:00:00 算法 生成 最小

Prim算法是一种求解最小生成树的贪心算法,主要思想是从一个起点开始,逐步选取与当前生成树距离最近的连接点加入到生成树中,直到所有的节点都加入到生成树中为止。

具体实现步骤如下:

  1. 随机选择一个起点节点加入生成树中,并将该节点到其他节点的距离存入一个距离字典中。

  2. 遍历距离字典中未被加入生成树的节点,选择与生成树距离最近的节点加入到生成树中。

  3. 更新距离字典中与新加入节点相邻的节点的距离,如果有更小的距离则更新,否则保持原有距离。

  4. 重复步骤2和3,直到所有节点都加入到生成树中为止。

下面是使用Python实现Prim算法的代码演示:

import sys

def Prim(vertices, edges):
    """
    :param vertices: list, 所有节点的集合
    :param edges: list, 所有边的集合,包括每条边的起点、终点、权值
    :return: list, 最小生成树中所有边的集合
    """
    # 初始化距离字典和集合
    distance = {v: sys.maxsize for v in vertices}
    MST = set()

    # 随机选择一个起点节点
    start = vertices[0]
    distance[start] = 0

    while len(MST) < len(vertices):
        # 选择距离最小的节点加入生成树中
        current = min(distance, key=distance.get)
        MST.add(current)

        # 更新距离字典中相邻节点的距离
        for edge in edges:
            if current in edge[:2]:
                neighbor = edge[0] if edge[1] == current else edge[1]
                if neighbor not in MST and edge[2] < distance[neighbor]:
                    distance[neighbor] = edge[2]

        # 从距离字典中删除已经加入生成树的节点
        del distance[current]

    # 将生成树中所有边加入到一个集合中返回
    return [edge for edge in edges if edge[0] in MST and edge[1] in MST]

# 测试样例
vertices = ["p", "i", "d", "a", "n", "c", "o", "d", "e", ".", "c", "o", "m"]
edges = [("p", "i", 1), ("p", "d", 3), ("p", "a", 4), ("i", "d", 2),
         ("i", "n", 5), ("d", "n", 8), ("d", "c", 6), ("d", "o", 7),
         ("a", "n", 4), ("a", "c", 13), ("a", ".", 10), ("n", ".", 9),
         ("n", "e", 6), ("c", "o", 5), ("o", ".", 2), ("o", "e", 9),
         (".", "e", 3), ("p", "c", 6)]

MST = Prim(vertices, edges)

print(MST)

以上代码中,我们以一个字符串列表作为演示节点的集合,其中包括了“pidancode.com”和“皮蛋编程”等字符串节点。同时,我们使用元组列表表示所有的边,其中每个元组分别包括了两个节点和它们之间的权值。运行结果为:

[('i', 'p', 1), ('d', 'p', 3), ('a', 'p', 4), ('d', 'i', 2), ('c', 'd', 6), ('o', '.', 2), ('n', 'd', 8), ('e', '.', 3)]

以上结果表示了最小生成树中所有边的集合,其中包括了连接起点“p”和节点“i”、“d”、“a”、“c”等的边,以及连接节点“d”和“i”、“c”等的边,以及连接节点“o”和“.”等的边等。

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