Kruskals Algorithmus

Inhaltsverzeichnis

Wie der Algorithmus von Kruskal funktioniert
Beispiel für den Kruskal-Algorithmus
Kruskal-Algorithmus-Pseudocode
Beispiele für Python, Java und C / C ++
Kruskals vs Prims Algorithmus
Kruskals Algorithmuskomplexität
Kruskals Algorithmusanwendungen

In diesem Tutorial erfahren Sie, wie Kruskals Algorithmus funktioniert. Außerdem finden Sie Arbeitsbeispiele für den Kruskal-Algorithmus in C, C ++, Java und Python.

Der Kruskal-Algorithmus ist ein Minimum-Spanning-Tree-Algorithmus, der ein Diagramm als Eingabe verwendet und die Teilmenge der Kanten dieses Diagramms ermittelt

Bilden Sie einen Baum, der jeden Scheitelpunkt enthält
hat die minimale Summe von Gewichten unter allen Bäumen, die aus dem Diagramm gebildet werden können

Wie der Algorithmus von Kruskal funktioniert

Es fällt unter eine Klasse von Algorithmen, die als gierige Algorithmen bezeichnet werden und das lokale Optimum in der Hoffnung finden, ein globales Optimum zu finden.

Wir beginnen an den Kanten mit dem geringsten Gewicht und fügen Kanten hinzu, bis wir unser Ziel erreichen.

Die Schritte zur Implementierung des Kruskal-Algorithmus sind wie folgt:

Sortieren Sie alle Kanten von geringem bis hohem Gewicht
Nehmen Sie die Kante mit dem geringsten Gewicht und fügen Sie sie dem Spannbaum hinzu. Wenn durch Hinzufügen der Kante ein Zyklus erstellt wurde, lehnen Sie diese Kante ab.
Fügen Sie weitere Kanten hinzu, bis wir alle Eckpunkte erreicht haben.

Beispiel für den Kruskal-Algorithmus

Beginnen Sie mit einem gewichteten Diagramm.

Wählen Sie die Kante mit dem geringsten Gewicht. Wenn mehr als 1 vorhanden ist, wählen

Sie eine beliebige aus. Wählen Sie die nächst kürzere Kante aus und fügen Sie sie hinzu.

Wählen Sie die nächst kürzere Kante aus, die keinen Zyklus erstellt, und fügen Sie sie hinzu.

Wählen Sie die nächst kürzere Kante aus Dadurch wird kein Zyklus erstellt und hinzugefügt.

Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis Sie einen Spanning Tree haben

Kruskal-Algorithmus-Pseudocode

Bei jedem minimalen Spanning Tree-Algorithmus geht es darum zu prüfen, ob durch Hinzufügen einer Kante eine Schleife erstellt wird oder nicht.

Der häufigste Weg, dies herauszufinden, ist ein Algorithmus namens Union FInd. Der Union-Find-Algorithmus unterteilt die Scheitelpunkte in Cluster und ermöglicht es uns zu überprüfen, ob zwei Scheitelpunkte zu demselben Cluster gehören oder nicht, und somit zu entscheiden, ob das Hinzufügen einer Kante einen Zyklus erzeugt.

 KRUSKAL(G): A = ∅ For each vertex v ∈ G.V: MAKE-SET(v) For each edge (u, v) ∈ G.E ordered by increasing order by weight(u, v): if FIND-SET(u) ≠ FIND-SET(v): A = A ∪ ((u, v)) UNION(u, v) return A

Beispiele für Python, Java und C / C ++

Python Java C C ++

 # Kruskal's algorithm in Python class Graph: def __init__(self, vertices): self.V = vertices self.graph = () def add_edge(self, u, v, w): self.graph.append((u, v, w)) # Search function def find(self, parent, i): if parent(i) == i: return i return self.find(parent, parent(i)) def apply_union(self, parent, rank, x, y): xroot = self.find(parent, x) yroot = self.find(parent, y) if rank(xroot) rank(yroot): parent(yroot) = xroot else: parent(yroot) = xroot rank(xroot) += 1 # Applying Kruskal algorithm def kruskal_algo(self): result = () i, e = 0, 0 self.graph = sorted(self.graph, key=lambda item: item(2)) parent = () rank = () for node in range(self.V): parent.append(node) rank.append(0) while e < self.V - 1: u, v, w = self.graph(i) i = i + 1 x = self.find(parent, u) y = self.find(parent, v) if x != y: e = e + 1 result.append((u, v, w)) self.apply_union(parent, rank, x, y) for u, v, weight in result: print("%d - %d: %d" % (u, v, weight)) g = Graph(6) g.add_edge(0, 1, 4) g.add_edge(0, 2, 4) g.add_edge(1, 2, 2) g.add_edge(1, 0, 4) g.add_edge(2, 0, 4) g.add_edge(2, 1, 2) g.add_edge(2, 3, 3) g.add_edge(2, 5, 2) g.add_edge(2, 4, 4) g.add_edge(3, 2, 3) g.add_edge(3, 4, 3) g.add_edge(4, 2, 4) g.add_edge(4, 3, 3) g.add_edge(5, 2, 2) g.add_edge(5, 4, 3) g.kruskal_algo()

 // Kruskal's algorithm in Java import java.util.*; class Graph ( class Edge implements Comparable ( int src, dest, weight; public int compareTo(Edge compareEdge) ( return this.weight - compareEdge.weight; ) ); // Union class subset ( int parent, rank; ); int vertices, edges; Edge edge(); // Graph creation Graph(int v, int e) ( vertices = v; edges = e; edge = new Edge(edges); for (int i = 0; i < e; ++i) edge(i) = new Edge(); ) int find(subset subsets(), int i) ( if (subsets(i).parent != i) subsets(i).parent = find(subsets, subsets(i).parent); return subsets(i).parent; ) void Union(subset subsets(), int x, int y) ( int xroot = find(subsets, x); int yroot = find(subsets, y); if (subsets(xroot).rank subsets(yroot).rank) subsets(yroot).parent = xroot; else ( subsets(yroot).parent = xroot; subsets(xroot).rank++; ) ) // Applying Krushkal Algorithm void KruskalAlgo() ( Edge result() = new Edge(vertices); int e = 0; int i = 0; for (i = 0; i < vertices; ++i) result(i) = new Edge(); // Sorting the edges Arrays.sort(edge); subset subsets() = new subset(vertices); for (i = 0; i < vertices; ++i) subsets(i) = new subset(); for (int v = 0; v < vertices; ++v) ( subsets(v).parent = v; subsets(v).rank = 0; ) i = 0; while (e < vertices - 1) ( Edge next_edge = new Edge(); next_edge = edge(i++); int x = find(subsets, next_edge.src); int y = find(subsets, next_edge.dest); if (x != y) ( result(e++) = next_edge; Union(subsets, x, y); ) ) for (i = 0; i < e; ++i) System.out.println(result(i).src + " - " + result(i).dest + ": " + result(i).weight); ) public static void main(String() args) ( int vertices = 6; // Number of vertices int edges = 8; // Number of edges Graph G = new Graph(vertices, edges); G.edge(0).src = 0; G.edge(0).dest = 1; G.edge(0).weight = 4; G.edge(1).src = 0; G.edge(1).dest = 2; G.edge(1).weight = 4; G.edge(2).src = 1; G.edge(2).dest = 2; G.edge(2).weight = 2; G.edge(3).src = 2; G.edge(3).dest = 3; G.edge(3).weight = 3; G.edge(4).src = 2; G.edge(4).dest = 5; G.edge(4).weight = 2; G.edge(5).src = 2; G.edge(5).dest = 4; G.edge(5).weight = 4; G.edge(6).src = 3; G.edge(6).dest = 4; G.edge(6).weight = 3; G.edge(7).src = 5; G.edge(7).dest = 4; G.edge(7).weight = 3; G.KruskalAlgo(); ) )

 // Kruskal's algorithm in C #include #define MAX 30 typedef struct edge ( int u, v, w; ) edge; typedef struct edge_list ( edge data(MAX); int n; ) edge_list; edge_list elist; int Graph(MAX)(MAX), n; edge_list spanlist; void kruskalAlgo(); int find(int belongs(), int vertexno); void applyUnion(int belongs(), int c1, int c2); void sort(); void print(); // Applying Krushkal Algo void kruskalAlgo() ( int belongs(MAX), i, j, cno1, cno2; elist.n = 0; for (i = 1; i < n; i++) for (j = 0; j < i; j++) ( if (Graph(i)(j) != 0) ( elist.data(elist.n).u = i; elist.data(elist.n).v = j; elist.data(elist.n).w = Graph(i)(j); elist.n++; ) ) sort(); for (i = 0; i < n; i++) belongs(i) = i; spanlist.n = 0; for (i = 0; i < elist.n; i++) ( cno1 = find(belongs, elist.data(i).u); cno2 = find(belongs, elist.data(i).v); if (cno1 != cno2) ( spanlist.data(spanlist.n) = elist.data(i); spanlist.n = spanlist.n + 1; applyUnion(belongs, cno1, cno2); ) ) ) int find(int belongs(), int vertexno) ( return (belongs(vertexno)); ) void applyUnion(int belongs(), int c1, int c2) ( int i; for (i = 0; i < n; i++) if (belongs(i) == c2) belongs(i) = c1; ) // Sorting algo void sort() ( int i, j; edge temp; for (i = 1; i < elist.n; i++) for (j = 0; j elist.data(j + 1).w) ( temp = elist.data(j); elist.data(j) = elist.data(j + 1); elist.data(j + 1) = temp; ) ) // Printing the result void print() ( int i, cost = 0; for (i = 0; i < spanlist.n; i++) ( printf("%d - %d : %d", spanlist.data(i).u, spanlist.data(i).v, spanlist.data(i).w); cost = cost + spanlist.data(i).w; ) printf("Spanning tree cost: %d", cost); ) int main() ( int i, j, total_cost; n = 6; Graph(0)(0) = 0; Graph(0)(1) = 4; Graph(0)(2) = 4; Graph(0)(3) = 0; Graph(0)(4) = 0; Graph(0)(5) = 0; Graph(0)(6) = 0; Graph(1)(0) = 4; Graph(1)(1) = 0; Graph(1)(2) = 2; Graph(1)(3) = 0; Graph(1)(4) = 0; Graph(1)(5) = 0; Graph(1)(6) = 0; Graph(2)(0) = 4; Graph(2)(1) = 2; Graph(2)(2) = 0; Graph(2)(3) = 3; Graph(2)(4) = 4; Graph(2)(5) = 0; Graph(2)(6) = 0; Graph(3)(0) = 0; Graph(3)(1) = 0; Graph(3)(2) = 3; Graph(3)(3) = 0; Graph(3)(4) = 3; Graph(3)(5) = 0; Graph(3)(6) = 0; Graph(4)(0) = 0; Graph(4)(1) = 0; Graph(4)(2) = 4; Graph(4)(3) = 3; Graph(4)(4) = 0; Graph(4)(5) = 0; Graph(4)(6) = 0; Graph(5)(0) = 0; Graph(5)(1) = 0; Graph(5)(2) = 2; Graph(5)(3) = 0; Graph(5)(4) = 3; Graph(5)(5) = 0; Graph(5)(6) = 0; kruskalAlgo(); print(); )

 // Kruskal's algorithm in C++ #include #include #include using namespace std; #define edge pair class Graph ( private: vector 
 G; // graph vector 
 T; // mst int *parent; int V; // number of vertices/nodes in graph public: Graph(int V); void AddWeightedEdge(int u, int v, int w); int find_set(int i); void union_set(int u, int v); void kruskal(); void print(); ); Graph::Graph(int V) ( parent = new int(V); //i 0 1 2 3 4 5 //parent(i) 0 1 2 3 4 5 for (int i = 0; i < V; i++) parent(i) = i; G.clear(); T.clear(); ) void Graph::AddWeightedEdge(int u, int v, int w) ( G.push_back(make_pair(w, edge(u, v))); ) int Graph::find_set(int i) ( // If i is the parent of itself if (i == parent(i)) return i; else // Else if i is not the parent of itself // Then i is not the representative of his set, // so we recursively call Find on its parent return find_set(parent(i)); ) void Graph::union_set(int u, int v) ( parent(u) = parent(v); ) void Graph::kruskal() ( int i, uRep, vRep; sort(G.begin(), G.end()); // increasing weight for (i = 0; i < G.size(); i++) ( uRep = find_set(G(i).second.first); vRep = find_set(G(i).second.second); if (uRep != vRep) ( T.push_back(G(i)); // add to tree union_set(uRep, vRep); ) ) ) void Graph::print() ( cout << "Edge :" << " Weight" << endl; for (int i = 0; i < T.size(); i++) ( cout << T(i).second.first << " - " << T(i).second.second << " : " << T(i).first; cout << endl; ) ) int main() ( Graph g(6); g.AddWeightedEdge(0, 1, 4); g.AddWeightedEdge(0, 2, 4); g.AddWeightedEdge(1, 2, 2); g.AddWeightedEdge(1, 0, 4); g.AddWeightedEdge(2, 0, 4); g.AddWeightedEdge(2, 1, 2); g.AddWeightedEdge(2, 3, 3); g.AddWeightedEdge(2, 5, 2); g.AddWeightedEdge(2, 4, 4); g.AddWeightedEdge(3, 2, 3); g.AddWeightedEdge(3, 4, 3); g.AddWeightedEdge(4, 2, 4); g.AddWeightedEdge(4, 3, 3); g.AddWeightedEdge(5, 2, 2); g.AddWeightedEdge(5, 4, 3); g.kruskal(); g.print(); return 0; )

Kruskals vs Prims Algorithmus

Der Prim-Algorithmus ist ein weiterer beliebter Minimum-Spanning-Tree-Algorithmus, der eine andere Logik verwendet, um die MST eines Graphen zu ermitteln. Anstatt von einer Kante aus zu beginnen, beginnt der Prim-Algorithmus von einem Scheitelpunkt und fügt Kanten mit der niedrigsten Gewichtung hinzu, die nicht im Baum enthalten sind, bis alle Scheitelpunkte abgedeckt sind.