并查集详解
2015-08-04 08:55
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并查集是我暑假从高手那里学到的一招,觉得真是太精妙的设计了。以前我无法解决的一类问题竟然可以用如此简单高效的方法搞定。不分享出来真是对不起party了。(party:我靠,关我嘛事啊?我跟你很熟么?)
来看一个实例,杭电1232畅通工程
首先在地图上给你若干个城镇,这些城镇都可以看作点,然后告诉你哪些对城镇之间是有道路直接相连的。最后要解决的是整幅图的连通性问题。比如随意给你两个点,让你判断它们是否连通,或者问你整幅图一共有几个连通分支,也就是被分成了几个互相独立的块。像畅通工程这题,问还需要修几条路,实质就是求有几个连通分支。如果是1个连通分支,说明整幅图上的点都连起来了,不用再修路了;如果是2个连通分支,则只要再修1条路,从两个分支中各选一个点,把它们连起来,那么所有的点都是连起来的了;如果是3个连通分支,则只要再修两条路……
以下面这组数据输入数据来说明
4 2 1 3 4 3
第一行告诉你,一共有4个点,2条路。下面两行告诉你,1、3之间有条路,4、3之间有条路。那么整幅图就被分成了1-3-4和2两部分。只要再加一条路,把2和其他任意一个点连起来,畅通工程就实现了,那么这个这组数据的输出结果就是1。好了,现在编程实现这个功能吧,城镇有几百个,路有不知道多少条,而且可能有回路。
这可如何是好?
我以前也不会呀,自从用了并查集之后,嗨,效果还真好!我们全家都用它!
并查集由一个整数型的数组和两个函数构成。数组pre[]记录了每个点的前导点是什么,函数find是查找,join是合并。
int pre[1000 ];
int find(int x)[b]
//查找根节点[/b]
{
int r=x;
while ( pre[r ] != r )
//[b]返回根节点 r[/b]
[b]
r=pre[r ];[/b]
int i=x , j ;
while( i != r )
//[b]路径压缩[/b]
{
j
= pre[ i ]; // 在改变上级之前用临时变量 j
记录下他的值
pre[
i ]= r ; //把上级改为根节点
i=j;
}
return r ;
}
void join(int x,int y) //判断x
y是否连通,
//如果已经连通,就不用管了 //如果不连通,就把它们所在的连通分支合并起,
{
int fx=find(x),fy=find(y);
if(fx!=fy)
pre[fx ]=fy;
}
为了解释并查集的原理,我将举一个更有爱的例子。 话说江湖上散落着各式各样的大侠,有上千个之多。他们没有什么正当职业,整天背着剑在外面走来走去,碰到和自己不是一路人的,就免不了要打一架。但大侠们有一个优点就是讲义气,绝对不打自己的朋友。而且他们信奉“朋友的朋友就是我的朋友”,只要是能通过朋友关系串联起来的,不管拐了多少个弯,都认为是自己人。这样一来,江湖上就形成了一个一个的群落,通过两两之间的朋友关系串联起来。而不在同一个群落的人,无论如何都无法通过朋友关系连起来,于是就可以放心往死了打。但是两个原本互不相识的人,如何判断是否属于一个朋友圈呢?
我们可以在每个朋友圈内推举出一个比较有名望的人,作为该圈子的代表人物,这样,每个圈子就可以这样命名“齐达内朋友之队”“罗纳尔多朋友之队”……两人只要互相对一下自己的队长是不是同一个人,就可以确定敌友关系了。
但是还有问题啊,大侠们只知道自己直接的朋友是谁,很多人压根就不认识队长,要判断自己的队长是谁,只能漫无目的的通过朋友的朋友关系问下去:“你是不是队长?你是不是队长?”这样一来,队长面子上挂不住了,而且效率太低,还有可能陷入无限循环中。于是队长下令,重新组队。队内所有人实行分等级制度,形成树状结构,我队长就是根节点,下面分别是二级队员、三级队员。每个人只要记住自己的上级是谁就行了。遇到判断敌友的时候,只要一层层向上问,直到最高层,就可以在短时间内确定队长是谁了。由于我们关心的只是两个人之间是否连通,至于他们是如何连通的,以及每个圈子内部的结构是怎样的,甚至队长是谁,并不重要。所以我们可以放任队长随意重新组队,只要不搞错敌友关系就好了。于是,门派产生了。
下面我们来看并查集的实现。 int pre[1000];
这个数组,记录了每个大侠的上级是谁。大侠们从1或者0开始编号(依据题意而定),pre[15]=3就表示15号大侠的上级是3号大侠。如果一个人的上级就是他自己,那说明他就是掌门人了,查找到此为止。也有孤家寡人自成一派的,比如欧阳锋,那么他的上级就是他自己。每个人都只认自己的上级。比如胡青牛同学只知道自己的上级是杨左使。张无忌是谁?不认识!要想知道自己的掌门是谁,只能一级级查上去。 find这个函数就是找掌门用的,意义再清楚不过了(路径压缩算法先不论,后面再说)。
int find(int
x) //查找我(x)的掌门
{
int r=x;
//委托 r 去找掌门
while (pre[r
]!=r) //如果r的上级不是r自己(也就是说找到的大侠他不是掌门 = =)
r=pre[r
] ; // r 就接着找他的上级,直到找到掌门为止。
return r
; //掌门驾到~~~
}
再来看看join函数,就是在两个点之间连一条线,这样一来,原先它们所在的两个板块的所有点就都可以互通了。这在图上很好办,画条线就行了。但我们现在是用并查集来描述武林中的状况的,一共只有一个pre[]数组,该如何实现呢?
还是举江湖的例子,假设现在武林中的形势如图所示。虚竹小和尚与周芷若MM是我非常喜欢的两个人物,他们的终极boss分别是玄慈方丈和灭绝师太,那明显就是两个阵营了。我不希望他们互相打架,就对他俩说:“你们两位拉拉勾,做好朋友吧。”他们看在我的面子上,同意了。这一同意可非同小可,整个少林和峨眉派的人就不能打架了。这么重大的变化,可如何实现呀,要改动多少地方?其实非常简单,我对玄慈方丈说:“大师,麻烦你把你的上级改为灭绝师太吧。这样一来,两派原先的所有人员的终极boss都是师太,那还打个球啊!反正我们关心的只是连通性,门派内部的结构不要紧的。”玄慈一听肯定火大了:“我靠,凭什么是我变成她手下呀,怎么不反过来?我抗议!”抗议无效,上天安排的,最大。反正谁加入谁效果是一样的,我就随手指定了一个。这段函数的意思很明白了吧?
void join(int
x,int y) //我想让虚竹和周芷若做朋友
{
int fx=find(x),fy=find(y);
//虚竹的老大是玄慈,芷若MM的老大是灭绝
if(fx!=fy) //玄慈和灭绝显然不是同一个人
pre[fx ]=fy;
//方丈只好委委屈屈地当了师太的手下啦
}
再来看看路径压缩算法。建立门派的过程是用join函数两个人两个人地连接起来的,谁当谁的手下完全随机。最后的树状结构会变成什么胎唇样,我也完全无法预计,一字长蛇阵也有可能。这样查找的效率就会比较低下。最理想的情况就是所有人的直接上级都是掌门,一共就两级结构,只要找一次就找到掌门了。哪怕不能完全做到,也最好尽量接近。这样就产生了路径压缩算法。
设想这样一个场景:两个互不相识的大侠碰面了,想知道能不能揍。 于是赶紧打电话问自己的上级:“你是不是掌门?” 上级说:“我不是呀,我的上级是谁谁谁,你问问他看看。” 一路问下去,原来两人的最终boss都是东厂曹公公。 “哎呀呀,原来是记己人,西礼西礼,在下三营六组白面葫芦娃!” “幸会幸会,在下九营十八组仙子狗尾巴花!” 两人高高兴兴地手拉手喝酒去了。 “等等等等,两位同学请留步,还有事情没完成呢!”我叫住他俩。 “哦,对了,还要做路径压缩。”两人醒悟。 白面葫芦娃打电话给他的上级六组长:“组长啊,我查过了,其习偶们的掌门是曹公公。不如偶们一起及接拜在曹公公手下吧,省得级别太低,以后查找掌门麻环。”
“唔,有道理。” 白面葫芦娃接着打电话给刚才拜访过的三营长……仙子狗尾巴花也做了同样的事情。 这样,查询中所有涉及到的人物都聚集在曹公公的直接领导下。每次查询都做了优化处理,所以整个门派树的层数都会维持在比较低的水平上。路径压缩的代码,看得懂很好,看不懂也没关系,直接抄上用就行了。总之它所实现的功能就是这么个意思。
hdu1232
[align=left]Problem Description[/align]
某省调查城镇交通状况,得到现有城镇道路统计表,表中列出了每条道路直接连通的城镇。省政府“畅通工程”的目标是使全省任何两个城镇间都可以实现交通(但不一定有直接的道路相连,只要互相间接通过道路可达即可)。问最少还需要建设多少条道路?
[align=left]Input[/align]
测试输入包含若干测试用例。每个测试用例的第1行给出两个正整数,分别是城镇数目N ( < 1000 )和道路数目M;随后的M行对应M条道路,每行给出一对正整数,分别是该条道路直接连通的两个城镇的编号。为简单起见,城镇从1到N编号。
注意:两个城市之间可以有多条道路相通,也就是说
3 3
1 2
1 2
2 1
这种输入也是合法的
当N为0时,输入结束,该用例不被处理。
[align=left]Output[/align]
对每个测试用例,在1行里输出最少还需要建设的道路数目。
[align=left]Sample Input[/align]
[align=left]Sample Output[/align]
代码如下:
SDUT 1488 数据结构实验:连通分量个数
否则,称该图为非连通图,则其中的极大连通子图称为连通分量,这里所谓的极大是指子图中包含的顶点个数极大。
例如:一个无向图有5个顶点,1-3-5是连通的,2是连通的,4是连通的,则这个无向图有3个连通分量。
分别代表N个顶点,和M条边。下面的M行,每行有两个整数u,v,顶点u和顶点v相连。
SDUT 2797 电影节
来看一个实例,杭电1232畅通工程
首先在地图上给你若干个城镇,这些城镇都可以看作点,然后告诉你哪些对城镇之间是有道路直接相连的。最后要解决的是整幅图的连通性问题。比如随意给你两个点,让你判断它们是否连通,或者问你整幅图一共有几个连通分支,也就是被分成了几个互相独立的块。像畅通工程这题,问还需要修几条路,实质就是求有几个连通分支。如果是1个连通分支,说明整幅图上的点都连起来了,不用再修路了;如果是2个连通分支,则只要再修1条路,从两个分支中各选一个点,把它们连起来,那么所有的点都是连起来的了;如果是3个连通分支,则只要再修两条路……
以下面这组数据输入数据来说明
4 2 1 3 4 3
第一行告诉你,一共有4个点,2条路。下面两行告诉你,1、3之间有条路,4、3之间有条路。那么整幅图就被分成了1-3-4和2两部分。只要再加一条路,把2和其他任意一个点连起来,畅通工程就实现了,那么这个这组数据的输出结果就是1。好了,现在编程实现这个功能吧,城镇有几百个,路有不知道多少条,而且可能有回路。
这可如何是好?
我以前也不会呀,自从用了并查集之后,嗨,效果还真好!我们全家都用它!
并查集由一个整数型的数组和两个函数构成。数组pre[]记录了每个点的前导点是什么,函数find是查找,join是合并。
int pre[1000 ];
int find(int x)[b]
//查找根节点[/b]
{
int r=x;
while ( pre[r ] != r )
//[b]返回根节点 r[/b]
[b]
r=pre[r ];[/b]
int i=x , j ;
while( i != r )
//[b]路径压缩[/b]
{
j
= pre[ i ]; // 在改变上级之前用临时变量 j
记录下他的值
pre[
i ]= r ; //把上级改为根节点
i=j;
}
return r ;
}
void join(int x,int y) //判断x
y是否连通,
//如果已经连通,就不用管了 //如果不连通,就把它们所在的连通分支合并起,
{
int fx=find(x),fy=find(y);
if(fx!=fy)
pre[fx ]=fy;
}
为了解释并查集的原理,我将举一个更有爱的例子。 话说江湖上散落着各式各样的大侠,有上千个之多。他们没有什么正当职业,整天背着剑在外面走来走去,碰到和自己不是一路人的,就免不了要打一架。但大侠们有一个优点就是讲义气,绝对不打自己的朋友。而且他们信奉“朋友的朋友就是我的朋友”,只要是能通过朋友关系串联起来的,不管拐了多少个弯,都认为是自己人。这样一来,江湖上就形成了一个一个的群落,通过两两之间的朋友关系串联起来。而不在同一个群落的人,无论如何都无法通过朋友关系连起来,于是就可以放心往死了打。但是两个原本互不相识的人,如何判断是否属于一个朋友圈呢?
我们可以在每个朋友圈内推举出一个比较有名望的人,作为该圈子的代表人物,这样,每个圈子就可以这样命名“齐达内朋友之队”“罗纳尔多朋友之队”……两人只要互相对一下自己的队长是不是同一个人,就可以确定敌友关系了。
但是还有问题啊,大侠们只知道自己直接的朋友是谁,很多人压根就不认识队长,要判断自己的队长是谁,只能漫无目的的通过朋友的朋友关系问下去:“你是不是队长?你是不是队长?”这样一来,队长面子上挂不住了,而且效率太低,还有可能陷入无限循环中。于是队长下令,重新组队。队内所有人实行分等级制度,形成树状结构,我队长就是根节点,下面分别是二级队员、三级队员。每个人只要记住自己的上级是谁就行了。遇到判断敌友的时候,只要一层层向上问,直到最高层,就可以在短时间内确定队长是谁了。由于我们关心的只是两个人之间是否连通,至于他们是如何连通的,以及每个圈子内部的结构是怎样的,甚至队长是谁,并不重要。所以我们可以放任队长随意重新组队,只要不搞错敌友关系就好了。于是,门派产生了。
下面我们来看并查集的实现。 int pre[1000];
这个数组,记录了每个大侠的上级是谁。大侠们从1或者0开始编号(依据题意而定),pre[15]=3就表示15号大侠的上级是3号大侠。如果一个人的上级就是他自己,那说明他就是掌门人了,查找到此为止。也有孤家寡人自成一派的,比如欧阳锋,那么他的上级就是他自己。每个人都只认自己的上级。比如胡青牛同学只知道自己的上级是杨左使。张无忌是谁?不认识!要想知道自己的掌门是谁,只能一级级查上去。 find这个函数就是找掌门用的,意义再清楚不过了(路径压缩算法先不论,后面再说)。
int find(int
x) //查找我(x)的掌门
{
int r=x;
//委托 r 去找掌门
while (pre[r
]!=r) //如果r的上级不是r自己(也就是说找到的大侠他不是掌门 = =)
r=pre[r
] ; // r 就接着找他的上级,直到找到掌门为止。
return r
; //掌门驾到~~~
}
再来看看join函数,就是在两个点之间连一条线,这样一来,原先它们所在的两个板块的所有点就都可以互通了。这在图上很好办,画条线就行了。但我们现在是用并查集来描述武林中的状况的,一共只有一个pre[]数组,该如何实现呢?
还是举江湖的例子,假设现在武林中的形势如图所示。虚竹小和尚与周芷若MM是我非常喜欢的两个人物,他们的终极boss分别是玄慈方丈和灭绝师太,那明显就是两个阵营了。我不希望他们互相打架,就对他俩说:“你们两位拉拉勾,做好朋友吧。”他们看在我的面子上,同意了。这一同意可非同小可,整个少林和峨眉派的人就不能打架了。这么重大的变化,可如何实现呀,要改动多少地方?其实非常简单,我对玄慈方丈说:“大师,麻烦你把你的上级改为灭绝师太吧。这样一来,两派原先的所有人员的终极boss都是师太,那还打个球啊!反正我们关心的只是连通性,门派内部的结构不要紧的。”玄慈一听肯定火大了:“我靠,凭什么是我变成她手下呀,怎么不反过来?我抗议!”抗议无效,上天安排的,最大。反正谁加入谁效果是一样的,我就随手指定了一个。这段函数的意思很明白了吧?
void join(int
x,int y) //我想让虚竹和周芷若做朋友
{
int fx=find(x),fy=find(y);
//虚竹的老大是玄慈,芷若MM的老大是灭绝
if(fx!=fy) //玄慈和灭绝显然不是同一个人
pre[fx ]=fy;
//方丈只好委委屈屈地当了师太的手下啦
}
再来看看路径压缩算法。建立门派的过程是用join函数两个人两个人地连接起来的,谁当谁的手下完全随机。最后的树状结构会变成什么胎唇样,我也完全无法预计,一字长蛇阵也有可能。这样查找的效率就会比较低下。最理想的情况就是所有人的直接上级都是掌门,一共就两级结构,只要找一次就找到掌门了。哪怕不能完全做到,也最好尽量接近。这样就产生了路径压缩算法。
设想这样一个场景:两个互不相识的大侠碰面了,想知道能不能揍。 于是赶紧打电话问自己的上级:“你是不是掌门?” 上级说:“我不是呀,我的上级是谁谁谁,你问问他看看。” 一路问下去,原来两人的最终boss都是东厂曹公公。 “哎呀呀,原来是记己人,西礼西礼,在下三营六组白面葫芦娃!” “幸会幸会,在下九营十八组仙子狗尾巴花!” 两人高高兴兴地手拉手喝酒去了。 “等等等等,两位同学请留步,还有事情没完成呢!”我叫住他俩。 “哦,对了,还要做路径压缩。”两人醒悟。 白面葫芦娃打电话给他的上级六组长:“组长啊,我查过了,其习偶们的掌门是曹公公。不如偶们一起及接拜在曹公公手下吧,省得级别太低,以后查找掌门麻环。”
“唔,有道理。” 白面葫芦娃接着打电话给刚才拜访过的三营长……仙子狗尾巴花也做了同样的事情。 这样,查询中所有涉及到的人物都聚集在曹公公的直接领导下。每次查询都做了优化处理,所以整个门派树的层数都会维持在比较低的水平上。路径压缩的代码,看得懂很好,看不懂也没关系,直接抄上用就行了。总之它所实现的功能就是这么个意思。
hdu1232
[align=left]Problem Description[/align]
某省调查城镇交通状况,得到现有城镇道路统计表,表中列出了每条道路直接连通的城镇。省政府“畅通工程”的目标是使全省任何两个城镇间都可以实现交通(但不一定有直接的道路相连,只要互相间接通过道路可达即可)。问最少还需要建设多少条道路?
[align=left]Input[/align]
测试输入包含若干测试用例。每个测试用例的第1行给出两个正整数,分别是城镇数目N ( < 1000 )和道路数目M;随后的M行对应M条道路,每行给出一对正整数,分别是该条道路直接连通的两个城镇的编号。为简单起见,城镇从1到N编号。
注意:两个城市之间可以有多条道路相通,也就是说
3 3
1 2
1 2
2 1
这种输入也是合法的
当N为0时,输入结束,该用例不被处理。
[align=left]Output[/align]
对每个测试用例,在1行里输出最少还需要建设的道路数目。
[align=left]Sample Input[/align]
4 2 1 3 4 3 3 3 1 2 1 3 2 3 5 2 1 2 3 5 999 0 0
[align=left]Sample Output[/align]
1 0 2 998
代码如下:
#include<stdio.h> int pre[100100 ]; int find(int x) { int r=x; while (pre[r ]!=r) r=pre[r ]; int i=x; int j; while(i!=r) { j=pre[i ]; pre[i ]=r; i=j; } return r; } int main() { int n,m,p1,p2,i,total,f1,f2; while(scanf("%d",&n) && n) //读入n,如果n为0,结束 { //刚开始的时候,有n个城镇,一条路都没有 //那么要修n-1条路才能把它们连起来 total=n-1; //每个点互相独立,自成一个集合,从1编号到n //所以每个点的上级都是自己 for(i=1;i<=n;i++) { pre[i ]=i; } //共有m条路 scanf("%d",&m); while(m--) { //下面这段代码,其实就是join函数,只是稍作改动以适应题目要求 //每读入一条路,看它的端点p1,p2是否已经在一个连通分支里了 scanf("%d %d",&p1,&p2); f1=find(p1); f2=find(p2); //如果是不连通的,那么把这两个分支连起来 //分支的总数就减少了1,还需建的路也就减了1 if(f1!=f2) { pre[f2 ]=f1; total--; } //如果两点已经连通了,那么这条路只是在图上增加了一个环 //对连通性没有任何影响,无视掉 } //最后输出还要修的路条数 printf("%d\n",total); } return 0; }
SDUT 1488 数据结构实验:连通分量个数
题目描述
在无向图中,如果从顶点vi到顶点vj有路径,则称vi和vj连通。如果图中任意两个顶点之间都连通,则称该图为连通图,否则,称该图为非连通图,则其中的极大连通子图称为连通分量,这里所谓的极大是指子图中包含的顶点个数极大。
例如:一个无向图有5个顶点,1-3-5是连通的,2是连通的,4是连通的,则这个无向图有3个连通分量。
输入
第一行是一个整数T,表示有T组测试样例(0 < T <= 50)。每个测试样例开始一行包括两个整数N,M,(0 < N <= 20,0 <= M <= 200)分别代表N个顶点,和M条边。下面的M行,每行有两个整数u,v,顶点u和顶点v相连。
输出
每行一个整数,连通分量个数。示例输入
2 3 1 1 2 3 2 3 2 1 2
示例输出
2 1
#include<stdio.h> int bin[10000]; int find(int x)//查找根节点 { int r; r=x; while(r!=bin[r]) //返回根节点 r r=bin[r]; return r; } void merge(int x,int y) //判断x y是否连通, { //如果已经连通,就不用管了 //如果不连通,就把它们所在的连通分支合并起, int fx,fy; fx=find(x); fy=find(y); if(fx!=fy) bin[fx]=fy; } int main() { int T,n,m,i,x,y; scanf("%d",&T); while(T--) { scanf("%d%d",&n,&m); for(i=1;i<=n;i++) bin[i]=i; for(i=1;i<=m;i++) { scanf("%d%d",&x,&y); merge(x,y); } int count=0; for(i=1;i<=n;i++) if(bin[i]==i) count++; printf("%d\n",count); } return 0; }
SDUT 2797 电影节
题目描述
某届电影节评选电影,共有两部电影进入最后评选环节,有n名观众,每个人有一次投票的机会,每个人都按照规则投给其中一部电影。为了了解情况,记者随机询问了一些人,一共询问了m次,特别神奇的是,记者每次都询问两个人,而且这两个人都把票投给了同一部电影,观众编号为1~n。输入
多组输入,每组第一行是两个整数n,m (2 <= n <=100000,0 <= m < n/2),接下来m行数据,表示m次询问,每行数据有两个整数a,b代表观众的编号(1 <= a,b <= n),观众a和观众b投票给了同一部电影,接下来一行是两个整数c,d(1 <= c,d <= n)。输出
对于每一组输入,输出一行,如果观众c和观众d投票给同一部电影,输出”same”,如果不能确定,输出”not sure”。示例输入
5 2 1 2
2 3
1 3
5 2 1 2
3 4
1 4
5 2 1 2
3 4
2 5
示例输出
same not sure not sure
#include <stdio.h> #include <string.h> int bin[200010]; int findx(int x) { int r=x; while(bin[r]!=r) { r=bin[r]; } return r; } void Merge(int x,int y) { int fx,fy; int k; fx=findx(x); fy=findx(y); if(fx!=fy) { bin[fx]=fy; } } void Merge2(int c,int d) { int fc,fd; fc=findx(c); fd=findx(d); if(fc!=fd) printf("not sure\n"); else printf("same\n"); } int main() { int n,m; int x,y; int c,d; int bb,aa; int i; while(~scanf("%d %d",&n,&m)) { int k=0; for(i=0;i<n;i++) { bin[i]=i; } while(m--) { scanf("%d %d",&x,&y); Merge(x,y); } scanf("%d%d",&c,&d); Merge2(c,d); } return 0; }
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