СНМ

СНМ - система непересекающихся множеств

Эта структура данных предоставляет следующие возможности. Изначально имеется несколько элементов, каждый из которых находится в отдельном (своём собственном) множестве. За одну операцию можно:

  • \(join\_set(x, y)\) - объединяет два указанных множества (множество, в котором находится элемент \(x\), и множество, в котором находится элемент \(y\)).
  • \(find\_set(x, y)\) - возвращает, в каком множестве находится указанный элемент \(x\).

Построение эффективной структуры данных

Множества элементов мы будем хранить в виде деревьев: одно дерево соответствует одному множеству. Корень дерева — это представитель (лидер) множества. При реализации это означает, что мы заводим массив parent, в котором для каждого элемента мы храним ссылку на его предка в дерева. Для корней деревьев будем считать, что их предок — они сами (т.е. ссылка зацикливается в этом месте).

int find_set(int v) {
    if (v == p[v])
        return v;
    return find_set(p[v]);
}

void join_sets(int a, int b) {
    a = find_set(a);
    b = find_set(b);
    if (a != b)
        p[b] = a;
}

int main() {
    ...............
    p.resize(n);
    std::iota(p.begin(), p.end(), 0);
}

Внимание

\(find\_set() - O(n)\)

Легко построить пример, когда после нескольких объединений множеств получится ситуация, что множество — это дерево, выродившееся в длинную цепочку.

В результате каждый вызов \(find\_set()\) за длину дерева \(O(n)\).

Эвристика сжатия пути

Подсказка

\(find\_set() - O(log n)\)

\(join\_set() - O(2 * find\_set())\)

Она заключается в том, что когда после вызова \(find\_set(v)\) мы найдём искомого лидера \(p\) множества, то запомним, что у вершины \(v\) и всех пройденных по пути вершин — именно этот лидер \(p\).

\(parent[]\) - теперь это сжатый массив предков, хранит предок предка, предок предка предка, и т.д.

int find_set(int v) {
    if (v == p[v])
        return v;
    return p[v] = find_set(p[v]);
}

Эвристика объединения по рангу

Подсказка

При выполнении \(join\_set()\) будем присоединять дерево с меньшим рангом к дереву с большим рангом.

bool join(ll u, ll v) {
    u = get(u);
    v = get(v);
    if (u == v) {
        return false;
    }
    if (r[u] > r[v]) {
        swap(u, v);
    }
    p[u] = v;
    r[v] = max(r[v], r[u] + 1);
    return true;
}

Объединение эвристик: сжатие пути плюс ранговая эвристика

Окончательный результат таков: при совместном применении эвристик сжатия пути и объединения по рангу время работы на один запрос получается \(O (\alpha(n)\).

\(\alpha(n)\) — обратная функция Аккермана (n ~ 4, n <= 100 ** 600)

https://i.imgur.com/gwOyPzW.png
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

typedef long long ll;

#define INF 1e18

vector<ll> p, r;

ll get(ll u) {
    if (p[u] == u)
        return u;
    return p[u] = get(p[u]);
}

bool join(ll u, ll v) {
    u = get(u);
    v = get(v);
    if (u == v) {
        return false;
    }
    if (r[u] > r[v]) {
        swap(u, v);
    }
    p[u] = v;
    r[v] = max(r[v], r[u] + 1);
    return true;
}

int main() {
    ll n, m, a, b, w;
    cin >> n >> m;
    p.resize(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        p[i] = i;
    }
    r.resize(n);
    vector<pair<ll, pair<ll, ll>>> e(m);
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        cin >> a >> b >> w;
        a--, b--;
        e[i] = {w, {a, b}};
    }
    sort(e.begin(), e.end());
    ll ans = 0;
    ll k = 0;
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        auto t = join(e[i].second.first, e[i].second.second);
        if (t) {
            ans = e[i].first;
            k++;
        }
        if (k == n - 1) {
            break;
        }
    }
    cout <<  ans;
    return 0;
}

Остовное дерево.

Остовное дерево графа состоит из минимального подмножества рёбер графа, таких, что из любой вершины графа можно попасть в любую другую вершину, двигаясь по этим рёбрам.

Минимальное остовное дерево - остовное дерево при этом обладающие наименьшим возможным весом.

\(O(M\log N)\) Минимальное остовное дерево. Алгоритм Крускала с системой непересекающихся множеств

  1. Отсортируем все рёбра по неубыванию веса
  2. Затем поместим каждую вершину в своё дерево (т.е. своё множество) - на это уйдёт в сумме \(O(N)\)
  3. Перебираем все рёбра (в порядке сортировки) и для каждого ребра за \(O(1)\) определяем, принадлежат ли его концы разным деревьям (с помощью двух вызовов find_set() за \(O(1)\)). Наконец, объединение двух деревьев будет осуществляться вызовом join_set() - также за \(O(1)\).

Итого мы получаем асимптотику \(O (M log N + N + M) = O (M log N)\).

TODO CODE

\(O(M\log N)\) Минимальное остовное дерево. Алгортим прима.

Искомый минимальный остов строится постепенно, добавлением в него рёбер по одному. Изначально остов полагается состоящим из единственной вершины (её можно выбрать произвольно). Затем выбирается ребро минимального веса, исходящее из этой вершины, и добавляется в минимальный остов. После этого остов содержит уже две вершины, и теперь ищется и добавляется ребро минимального веса, имеющее один конец в одной из двух выбранных вершин, а другой — наоборот, во всех остальных, кроме этих двух. И так далее, т.е. всякий раз ищется минимальное по весу ребро, один конец которого — уже взятая в остов вершина, а другой конец — ещё не взятая, и это ребро добавляется в остов (если таких рёбер несколько, можно взять любое). Этот процесс повторяется до тех пор, пока остов не станет содержать все вершины (или, что то же самое, \(n-1\) ребро).

В итоге будет построен остов, являющийся минимальным. Если граф был изначально не связен, то остов найден не будет (количество выбранных рёбер останется меньше \(n-1\)).

https://i.imgur.com/4VGVPdD.png
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

typedef long long ll;

#define INF 1e18

vector<bool> used;
vector<double> min_;
vector<int> sel_;
vector<ll> d;
vector<pair<ll, ll>> z;
ll n;
double ans = 0;

double get(ll f, ll s) {
    return sqrt((z[f].first - z[s].first) * (z[f].first - z[s].first) + (z[f].second - z[s].second) * (z[f].second - z[s].second));
}

void prim() {
    min_[0] = 0;
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        int v = -1;
        for (int j = 0; j < n; j++)
            if (!used[j] && (v == -1 || min_[j] < min_[v]))
                v = j;
        used[v] = true;
        ans += min_[v];
        for (int to = 0; to < n; to++)
            if (get(v, to) < min_[to]) {
                min_[to] = get(v, to);
                sel_[to] = v;
            }
    }
}

int main() {
    cin >> n;
    d.resize(n);
    used.resize(n);
    min_.assign(n, INF), sel_.assign(n, -1);
    z.resize(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cin >> z[i].first >> z[i].second;
    }


    prim();
    cout << setprecision(10) << ans;
    return 0;
}