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kruskal

date: 2021-06-19 excerpt: クラスカル法(kruskal)について

tag: algorithmkruskal


kruskal法について

  • prim法と同等な最小全域木探索の方法
  • prim法がダイクストラ法の変形なのに対して、kruskal法はunion findの応用である

アルゴリズム詳細

  • 辺とそのコストをリストで用意する
  • コストで昇順にソート(最大を知りたいときは降順にソート)
  • union findで同じ親を持つかをチェック
    • 親が同じでなければコストを累積
    • 親が同じであれば処理しない
  • kruskal法を更に抽象化する方法として、コストが安いネットワークをつなげるだけ繋いで、繋いだネットワークを別の変数で管理する
    • 特殊なネットワーク接続条件があるとき成立しやすい e.g. (x + Ai)%N

例; kruskal法, prim法のどちらでも解ける問題

問題

  • AtCoder Beginner Contest 065; D - Built?

解答

import collections
class UnionFind:
    def __init__(self, n):
        self.n = n
        self.parents = [-1] * n
        self.has_cycles = [0] * n
    def find(self, x):
        if self.parents[x] < 0:
            return x
        else:
            # 積極的aggregation
            self.parents[x] = self.find(self.parents[x])
            return self.parents[x]
    def union(self, x, y):
        x = self.find(x)
        y = self.find(y)
        # 同じノード同士ならばなにもしない
        # ここに閉路情報を入れることができる
        if x == y:
            self.has_cycles[x] = 1
            return
        # 既知の親子で小さいものが左に来るべき
        if self.parents[x] > self.parents[y]:
            x, y = y, x
        # rootノードを負の値で参照量をカウントしたいため、このような+=が入っている
        self.parents[x] += self.parents[y]
        # rootノードでなければ、正のindex値を入れる
        self.parents[y] = x
    def size(self, x):
        # rootノードの参照料を保存したものを取り出している
        return -self.parents[self.find(x)]
    def same(self, x, y):
        # 同じルートを持つか
        return self.find(x) == self.find(y)
    def roots(self):
        # どのノードがrootとなるか
        return [i for i, x in enumerate(self.parents) if x < 0]
    def group_count(self):
        # グループの個数
        return len(self.roots())
    def all_group_members(self) -> "Tuple[GroupMember, GroupCycle]":
        # rootをkeyに子をvalueのlistに, 閉路情報も返す
        group_members = collections.defaultdict(list)
        for member in range(self.n):
            group_members[self.find(member)].append(member)
        group_cycle = collections.defaultdict(bool)
        for group, members in group_members.items():
            group_cycle[group] = True if any([self.has_cycles[member] for member in members]) else False
        return group_members, group_cycle
      
import heapq
import collections
N = int(input())
uf = UnionFind(n=N)
args = []
 
XY = []
for _ in range(N):
    x,y = map(int, input().split())
    XY.append( (x,y) )
xyi = {(x,y):i for i, (x,y) in enumerate(XY)}
 
XY.sort()
for i in range(N-1):
    x, y = XY[i]
    nx, ny = XY[i+1]
    cost = min(abs(x-nx), abs(y-ny))
    args.append( (cost, (x, y), (nx, ny)) )
    # args.append( (cost, (nx, ny), (x, y)) )

XY.sort(key=lambda x:x[1])
for i in range(N-1):
    x, y = XY[i]
    nx, ny = XY[i+1]
    cost = min(abs(x-nx), abs(y-ny))
    args.append( (cost, (x, y), (nx, ny)))
    # args.append( (cost, (nx, ny), (x, y)))
 
# クラスカル法
args.sort()
ans = 0
for cost, l, r in args:
    if uf.same(xyi[l], xyi[r]):
        continue
    else:
        uf.union(xyi[l], xyi[r])
        ans += cost
print(ans)

例; kruskal法を更に抽象化する例

  • 単純にkruskal法を適応するとTLEするが、ある倍数である部分を埋められる条件なので、kruskal法を愚直に実装しなくても簡易的な判定で実装できる

問題

  • AtCoder Beginner Contest 210; E - Ring MST

提出

N, M = map(int, input().split())
AC = []
for m in range(M):
    a, c = map(int, input().split())
    AC.append( (a, c) )
AC.sort(key=lambda x:x[1])

import math
ans = 0
tmp = N
for a, c in AC:
    gcd = math.gcd(tmp, a)
    ans += (tmp - gcd) * c
    tmp = gcd
print(ans if tmp == 1 else -1)


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