竹笋

首页 » 问答 » 灌水 » 算法并查集详解
TUhjnbcbe - 2025/1/6 21:39:00

理解算法


  在计算机科学中,并查集是一种树型的数据结构,用于处理一些不交集(DisjointSets)的合并及查询问题。有一个联合-查找算法(union-findalgorithm)定义了两个用于此数据结构的操作:

Find:确定元素属于哪一个子集。这个确定方法就是不断向上查找找到它的根节点,它可以被用来确定两个元素是否属于同一子集。

Union:将两个子集合并成同一个集合。


  由于支持这两种操作,一个不相交集也常被称为联合-查找数据结构(union-finddatastructure)或合并-查找集合(merge-findset)。其他的重要方法,MakeSet,用于建立单元素集合。有了这些方法,许多经典的划分问题可以被解决。


  为了更加精确的定义这些方法,需要定义如何表示集合。一种常用的策略是为每个集合选定一个固定的元素,称为代表,以表示整个集合。接着,Find(x)返回x所属集合的代表,而Union使用两个集合的代表作为参数。


  

说明:左边是A,笔误!


  上图中简单演示了并查集的两个操作,一个是FIND,一个UNION。

并查集(树)


  并查集(树)是一种将一个集合以树形结构进行组合的数据结构,如上图所示。其中每一个节点保存着到它的父节点的引用(


  在并查集树中,每个集合的代表即是集合的根节点。

“查找”根据其父节点的引用向根行进直到到底树根。

“联合”将两棵树合并到一起,这通过将一棵树的根连接到另一棵树的根。


  实现这样操作的伪代码如下:


  这是并查集树林的最基础的表示方法,这个方法不会比链表法好,这是因为创建的树可能会严重不平衡;然而,可以用两种办法优化。

优化方法一:按秩合并


  第一种方法,称为“按秩合并”,即总是将更小的树连接至更大的树上。因为影响运行时间的是树的深度,更小的树添加到更深的树的根上将不会增加秩除非它们的秩相同。在这个算法中,术语“秩”替代了“深度”,因为同时应用了路径压缩时(见下文)秩将不会与高度相同。单元素的树的秩定义为0,当两棵秩同为r的树联合时,它们的秩r+1。只使用这个方法将使最坏的运行时间提高至每个MakeSet、Union或Find操作、。

优化后的MakeSet和Union伪代码

优化方法二:路径压缩


  第二个优化,称为“路径压缩”,是一种在执行“查找”时扁平化树结构的方法。关键在于在路径上的每个节点都可以直接连接到根上;他们都有同样的表示方法。为了达到这样的效果,Find递归地经过树,改变每一个节点的引用到根节点。得到的树将更加扁平,为以后直接或者间接引用节点的操作加速。


  

这儿是Find:


  这两种方法的优势互补,同时使用平均运行时间是一个极小的常数。


  实际上,这是渐近最优算法:Fredman和Saks在年解释了的平均时间内可以获得任何并查集。

并查集算法-Java实现

主要操作

合并两个不相交集合


  操作很简单:先设置一个数组(阵列)Father[x],表示x的“父亲”的编号。那么,合并两个不相交集合的方法就是,找到其中一个集合最父亲的父亲(也就是最久远的祖先),将另外一个集合的最久远的祖先的父亲指向它。

判断两个元素是否属于同一集合


  仍然使用上面的数组。则本操作即可转换为寻找两个元素的最久远祖先是否相同。寻找祖先可以采用递归实现,见后面的路径压缩算法。

1
查看完整版本: 算法并查集详解