复杂网络(2)

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复杂网络(2)

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连通且不含圈的无向图称为树(tree)。树中度为1的节点称为树叶,度大于1的节点称为分支点。 若图G=(V,E)的生成子图是一棵树,则称该树为图G的生成树(spanning tree),也称支撑树,简称为图G的树。图G中属于生成树的边称为树枝(branch)。 连通图G=(V,E),每条边上有非负权L(e)。一棵树上所有树枝上权的总和,称为这个生成树的权。具有最小权的生成树称为最小生成树(minimum spanning tree),也称最小支撑树,简称最小树。 许多网络问题都可以归结为最小树问题,例如:交通系统,通信系统,局域网系统等等。 最小生成树的算法:

1 普里姆算法(prim算法)

普里姆算法(Prim算法),图论中的一种算法,可在加权连通图里搜索最小生成树。意即由此算法搜索到的边子集所构成的树中,不但包括了连通图里的所有顶点(英语:Vertex (graph theory)),且其所有边的权值之和亦为最小。该算法于1930年由捷克数学家沃伊捷赫·亚尔尼克(英语:Vojtěch Jarník)发现;并在1957年由美国计算机科学家罗伯特·普里姆(英语:Robert C. Prim)独立发现;1959年,艾兹格·迪科斯彻再次发现了该算法。因此,在某些场合,普里姆算法又被称为DJP算法、亚尔尼克算法或普里姆-亚尔尼克算法。 给定连通赋权图G=(V,E,W),其中W为邻接矩阵,构造它的最小生成树。设置两个集合P和Q,其中P用于存放G的最小生成树的节点,集合Q存放G的最小生成树的边。令集合P的初值为P={V1}(假设构造最小生成树时从节点V1出发),集合Q的初值Q=空集。Prim算法的思想是,从所有p属于P,v属于V-P的边中,选取具有最小权值得边pv,将节点v加入集合P中,将边pv加入集合Q中,如此不断的重复,直到P=V时,最小生成树构造完毕,这时集合Q包含了最小生成树的所有边。

1 算法简单描述

1).输入:一个加权连通图,其中顶点集合为V,边集合为E; 2).初始化:P = {x},其中x为集合V中的任一节点(起始点),Q = {},为空; 3).重复下列操作,直到P = V: a.在集合E中选取权值最小的边

2 算法的图例描述这里写图片描述这里写图片描述3 简单证明prim算法

反证法:假设prim生成的不是最小生成树

1).设prim生成的树为G02).假设存在Gmin使得cost(Gmin)4 prim算法的python实现代码语言:javascript复制''' #file:py_prim.py #最小生成树 prim算法的python实现 ''' debug = 0 MAX_NUM = 10000 v_num = 6 grapharr = [[0, 6, 1, 5, MAX_NUM, MAX_NUM], [6, 0, 5, MAX_NUM, 3, MAX_NUM], [1, 5, 0, 5, 5, 4], [5, MAX_NUM, 5, 0, MAX_NUM, 2], [MAX_NUM, 3, 6, MAX_NUM, 0, 6], [MAX_NUM, MAX_NUM, 4, 2, 6, 0], ] ###################################### # U放已经匹配好的顶点: U = [] # V初始化为所有顶点的集合: V = [] # T放各个边: T = [] def init(): if (debug): print("grapharr=", end="") print(grapharr) i = 0 while i < v_num: V.append(i + 1) i = i + 1 def prim_start_vertex(start): if (start < 1): print("ERROR:start=", start) print("ERROR:change start to 1 by default!") start = 1 U.append(start) del V[start - 1] def list_sort(l): if (len(l) < 1): print("ERROR:len of l =", len(l)) exit index = 0 i = 0 min_val = l[0] while i < len(l): if min_val > l[i]: min_val = l[i] index = i i = i + 1 if (debug): print("[list_sort]:l=", l, ";index=", index) return index def min_wui(): m = MAX_NUM close_edge = {'u': -1, 'v': -1} edge_list = [] vertex_list = [] i = 0 j = 0 # 算出U和V之间所有边的长度: lu = len(U) lv = len(V) if (debug): print("##############entry min_wui###########") print("lu=", lu, ";lv=", lv) while i < len(U): while j < len(V): if (debug): print("i=", i, ";j=", j) print("U[i]=", U[i], ";V[j]=", V[j]) temp = grapharr[U[i] - 1][V[j] - 1] if (temp > 0): if (temp < MAX_NUM): close_edge = {'u': U[i], 'v': V[j]} if (debug): print("close_edge=", close_edge) vertex_list.append(close_edge) edge_list.append(temp) j = j + 1 # for i: i = i + 1 j = 0 # end of :for while i if (debug): print("vertex_list=", vertex_list) print("edge_list=", edge_list) min_index = list_sort(edge_list) close_edge = vertex_list[min_index] U.append(close_edge['v']) del V[V.index(close_edge['v'])] if (debug): print("U=", U) print("V=", V) return close_edge def py_prim(start): init() prim_start_vertex(start) print("init values:") print("U=", U) print("V=", V) print("T=", T) while (len(U) != v_num): if (debug): print("len(U)=", len(U)) our_edge = min_wui() T.append(our_edge) print("========RESULT============") print("U=", U) print("V=", V) print("T=", T) ###################################### if (__name__ == "__main__"): # 开始主程序: debug = 0 py_prim(1) 调试结果: init values: U= [1] V= [2, 3, 4, 5, 6] T= [] ========RESULT============ U= [1, 3, 6, 4, 2, 5] V= [] T= [{'v': 3, 'u': 1}, {'v': 6, 'u': 3}, {'v': 4, 'u': 6}, {'v': 2, 'u': 3}, {'v': 5, 'u': 2}]二 kruskal算法

Kruskal算法是一种用来寻找最小生成树的算法,由Joseph Kruskal在1956年发表。用来解决同样问题的还有Prim算法和Boruvka算法等。三种算法都是贪婪算法的应用。和Boruvka算法不同的地方是,Kruskal算法在图中存在相同权值的边时也有效。

1 kruskal算法的精髓在于:每次选取一条边,该边同时满足:

1、在当前未选边中权值最小; 2、与已选边不构成回路。直到选取n-1条表是算法结束。找到MST活判断不存在MST。

2.算法简单描述

1).记Graph中有v个顶点,e个边 2).新建图Graphnew,Graphnew中拥有原图中相同的e个顶点,但没有边 3).将原图Graph中所有e个边按权值从小到大排序 4).循环:从权值最小的边开始遍历每条边 直至图Graph中所有的节点都在同一个连通分量中 if 这条边连接的两个节点于图Graphnew中不在同一个连通分量中 添加这条边到图Graphnew中

3 图片描述这里写图片描述这里写图片描述

3.简单证明Kruskal算法 对图的顶点数n做归纳,证明Kruskal算法对任意n阶图适用。 归纳基础: n=1,显然能够找到最小生成树。 归纳过程: 假设Kruskal算法对n≤k阶图适用,那么,在k+1阶图G中,我们把最短边的两个端点a和b做一个合并操作,即把u与v合为一个点v’,把原来接在u和v的边都接到v’上去,这样就能够得到一个k阶图G’(u,v的合并是k+1少一条边),G’最小生成树T’可以用Kruskal算法得到。 我们证明T’+{

4.代码算法实现代码语言:javascript复制from pylab import * INFINITY = 65535 #代表无穷大 vexs = array([[0,10,INFINITY,INFINITY,INFINITY,11,INFINITY,INFINITY,INFINITY],#邻接矩阵 [10,0,18,INFINITY,INFINITY,INFINITY,16,INFINITY,12], [INFINITY,18,0,22,INFINITY,INFINITY,INFINITY,INFINITY,8], [INFINITY,INFINITY,22,0,20,INFINITY,INFINITY,16,21], [INFINITY,INFINITY,INFINITY,20,0,26,INFINITY,7,INFINITY], [11,INFINITY,INFINITY,INFINITY,26,0,17,INFINITY,INFINITY], [INFINITY,16,INFINITY,24,INFINITY,17,0,19,INFINITY], [INFINITY,INFINITY,INFINITY,16,7,INFINITY,19,0,INFINITY], [INFINITY,12,8,21,INFINITY,INFINITY,INFINITY,INFINITY,0]]) lengthVex = len(vexs) #邻接矩阵大小 beginEdge = [] endEdge = [] weight = [] group = [] for i in arange(lengthVex): #生成边集数组 group.append([i]) for j in arange(i+1,lengthVex): if(vexs[i, j]>0 and vexs[i, j]


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