V tomto tutoriálu se dozvíte, jak Kruskalův algoritmus funguje. Také najdete pracovní příklady Kruskalova algoritmu v jazycích C, C ++, Java a Python.
Kruskalův algoritmus je algoritmus minimálního spanningového stromu, který bere graf jako vstup a najde podmnožinu okrajů tohoto grafu, který
- tvoří strom, který zahrnuje každý vrchol
- má minimální součet hmotností mezi všemi stromy, které lze vytvořit z grafu
Jak funguje Kruskalův algoritmus
Spadá pod třídu algoritmů zvaných chamtivé algoritmy, které nacházejí místní optimum v naději, že najdou globální optimum.
Začínáme od okrajů s nejnižší hmotností a přidáváme hrany, dokud nedosáhneme svého cíle.
Kroky pro implementaci Kruskalova algoritmu jsou následující:
- Seřaďte všechny hrany od nízké hmotnosti po vysokou
- Vezměte hranu s nejnižší hmotností a přidejte ji do kostry. Pokud přidání hrany vytvořilo cyklus, pak tuto hranu odmítněte.
- Stále přidávejte hrany, dokud nedosáhneme všech vrcholů.
Příklad Kruskalova algoritmu
Začněte váženým grafem 
Vyberte hranu s nejmenší hmotností, pokud je jich více než 1, vyberte kohokoli 
Vyberte další nejkratší hranu a přidejte ji 
Vyberte další nejkratší hranu, která nevytvoří cyklus, a přidejte ji 
Vyberte další nejkratší hranu který nevytvoří cyklus a přidejte jej 
Opakujte, dokud nebudete mít kostru
Pseudokód Kruskalova algoritmu
Jakýkoli minimální algoritmus spanning tree se točí kolem kontroly, zda přidání hrany vytvoří smyčku nebo ne.
Nejběžnějším způsobem, jak to zjistit, je algoritmus s názvem Union FInd. Algoritmus Union-Find rozděluje vrcholy na shluky a umožňuje nám zkontrolovat, zda dva vrcholy patří ke stejnému shluku, a tedy rozhodnout, zda přidání hrany vytvoří cyklus.
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
Python, Java a C / C ++ příklady
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; )
Kruskalův vs. Primův algoritmus
Primův algoritmus je další populární algoritmus minimálního rozpětí stromu, který používá jinou logiku k nalezení MST grafu. Místo toho, aby začínal od hrany, Primův algoritmus začíná od vrcholu a stále přidává hrany s nejnižší hmotností, které nejsou ve stromu, dokud nebudou pokryty všechny vrcholy.
Kruskalův složitost algoritmu
Časová složitost Kruskalova algoritmu je: O (E log E).
Kruskalovy algoritmické aplikace
- Za účelem rozložení elektrického vedení
- V počítačové síti (připojení LAN)
