最小生成树
最小生成树 实验报告
最小生成树实验报告最小生成树实验报告一、引言最小生成树是图论中的一个重要概念，它在实际问题中有着广泛的应用。
本次实验旨在通过编程实现最小生成树算法，并通过实验数据对算法进行分析和评估。
二、算法介绍最小生成树算法的目标是在给定的带权无向图中找到一棵生成树，使得树上所有边的权重之和最小。
本次实验我们选择了两种经典的最小生成树算法：Prim 算法和Kruskal算法。
1. Prim算法Prim算法是一种贪心算法，它从一个顶点开始，逐步扩展生成树的规模，直到包含所有顶点为止。
算法的具体步骤如下：（1）选择一个起始顶点，将其加入生成树中。
（2）从与生成树相邻的顶点中选择一个权重最小的边，将其加入生成树中。
（3）重复上述步骤，直到生成树包含所有顶点。
2. Kruskal算法Kruskal算法是一种基于并查集的贪心算法，它首先将图中的边按权重从小到大进行排序，然后逐个加入生成树中，直到生成树包含所有顶点为止。
算法的具体步骤如下：（1）将图中的边按权重从小到大进行排序。
（2）逐个加入边，如果该边的两个顶点不在同一个连通分量中，则将其加入生成树中。
（3）重复上述步骤，直到生成树包含所有顶点。
三、实验过程本次实验我们使用C++语言实现了Prim算法和Kruskal算法，并通过随机生成的图数据进行了测试。
1. Prim算法的实现我们首先使用邻接矩阵表示图的结构，然后利用优先队列来选择权重最小的边。
具体实现过程如下：（1）创建一个优先队列，用于存储生成树的候选边。
（2）选择一个起始顶点，将其加入生成树中。
（3）将与生成树相邻的顶点及其边加入优先队列。
（4）从优先队列中选择权重最小的边，将其加入生成树中，并更新优先队列。
（5）重复上述步骤，直到生成树包含所有顶点。
2. Kruskal算法的实现我们使用并查集来维护顶点之间的连通关系，通过排序后的边序列来逐个加入生成树中。
具体实现过程如下：（1）将图中的边按权重从小到大进行排序。
的最小生成树算法Prim与Kruskal算法的比较
的最小生成树算法Prim与Kruskal算法的比较Prim算法和Kruskal算法都是常用的最小生成树算法，它们可以在给定的加权连通图中找到连接所有节点的最小权重边集合。
然而，这两种算法在实现细节和时间复杂度上有所不同。
本文将对Prim算法和Kruskal算法进行比较，并讨论它们的优缺点以及适用场景。
一、Prim算法Prim算法是一种贪心算法，它从一个起始节点开始，逐步扩展最小生成树的边集合，直到包含所有节点为止。
具体步骤如下：1. 选取一个起始节点作为最小生成树的根节点。
2. 在最小生成树的边集合中寻找与当前树集合相连的最小权重边，并将这条边添加到最小生成树中。
3. 将新添加的节点加入到树集合中。
4. 重复步骤2和3，直到最小生成树包含所有节点为止。
Prim算法的时间复杂度为O(V^2)，其中V是节点的个数。
这是因为在每轮迭代中，需要从树集合以外的节点中找到与树集合相连的最小权重边，而在最坏情况下，可能需要检查所有的边。
二、Kruskal算法Kruskal算法是一种基于边的贪心算法，它按照边的权重从小到大的顺序依次选择边，并判断是否加入最小生成树中。
具体步骤如下：1. 初始化一个空的最小生成树。
2. 将所有边按照权重从小到大进行排序。
3. 依次检查每条边，如果这条边连接了两个不同的树（即不会形成环），则将这条边加入到最小生成树中。
4. 重复步骤3，直到最小生成树包含所有节点为止。
Kruskal算法使用并查集数据结构来快速判断连通性，时间复杂度为O(ElogE)，其中E是边的个数。
排序边的时间复杂度为O(ElogE)，而对每条边进行判断和合并操作的时间复杂度为O(E)。
三、比较与总结1. 时间复杂度：Prim算法的时间复杂度为O(V^2)，而Kruskal算法的时间复杂度为O(ElogE)。
因此，在边的数量较大的情况下，Kruskal 算法的效率优于Prim算法。
2. 空间复杂度：Prim算法需要维护一个大小为V的优先队列和一个大小为V的布尔数组，而Kruskal算法需要维护一个大小为V的并查集。
运筹学最小生成树破圈法例题
运筹学最小生成树破圈法例题引言运筹学是一门研究如何优化决策的学科，它可以帮助我们在面对各种约束条件和目标函数的情况下，找到一个最优解。
其中一个重要的问题是最小生成树（Minimum Spanning Tree，MST）问题，它用于解决图论中的连通性问题。
在本文中，我们将重点讨论用破圈法（Cycle Breaking Algorithm）求解最小生成树问题的例题。
什么是最小生成树问题？最小生成树问题是在一个加权连通图中，找到一个边的子集，使得这个子集形成一棵树，并且这棵树上所有边的权重之和最小。
最小生成树问题常被用于网络设计、电力传输、通信网络等领域。
最小生成树破圈法为了解决最小生成树问题，我们介绍一种常用的算法——破圈法。
该算法的基本思想是不断将新的边加入到当前的生成树中，同时保证生成树中不会形成闭合的回路。
下面通过一个例题来详细介绍破圈法的具体步骤。
例题描述假设我们有一个无向连通图，共有6个顶点，边的权重如下表所示：边权重AB 4AD 6AC 5BC 1BD 2BE 3CE 7DE 8DF 9边权重EF 10我们的目标是找到这个图的最小生成树。
破圈法求解步骤以下是破圈法求解最小生成树问题的具体步骤：1.初始化：选择一个起始顶点作为生成树的根节点，将该顶点加入生成树的顶点集合V’中，将该顶点的所有相邻边加入到候选边集合E’中，并按权重从小到大排序。
2.迭代：从候选边集合E’中选择一条权重最小且不会形成回路的边e，将该边的两个顶点加入到顶点集合V’中，并将这条边加入生成树的边集合中。
同时更新候选边集合，将与新加入顶点有关的边加入候选边集合，并按权重排序。
3.终止条件：重复步骤2，直到生成树包含了全部的n-1个顶点，其中n为原图的顶点个数。
破圈法求解最小生成树例题解析根据以上步骤，我们逐步求解例题中给出的图的最小生成树。
Step 1: 初始化我们选择顶点A作为起始顶点，并将其加入生成树的顶点集合V’中。
最小生成树聚类算法
最小生成树聚类算法引言：聚类是数据分析的重要方法之一，它通过将相似的对象分组来发现数据集中的隐藏模式和结构。
在聚类算法中，最小生成树聚类算法是一种基于最小生成树（Minimum Spanning Tree，简称MST）的聚类方法。
它通过在数据点之间构建最小生成树来确定聚类结果。
本文将详细介绍最小生成树聚类算法的原理、步骤和应用。
一、最小生成树聚类算法原理1.将数据集中的每个对象看作一个节点，并计算每对节点之间的相似度（如欧氏距离、余弦相似度等）。
将相似度转化为距离度量，如将相似度映射到0-1之间的距离。
2.基于节点之间的距离建立完全图，图的节点集为数据集的节点集。
3. 使用最小生成树算法从完全图中生成最小生成树。
最小生成树是指连接图中所有节点，且总权重最小的树。
常用的最小生成树算法有Prim算法和Kruskal算法。
4.对生成的最小生成树进行剪枝操作，将权重较大的边删除，得到聚类结果。
剪枝操作的依据可以是设定的阈值或者根据聚类结果的评估指标进行评估选择。
二、最小生成树聚类算法步骤1.输入数据集，将每个对象看作一个节点，并计算节点之间的相似度。
2.将相似度转化为距离度量，建立完全图，节点集为数据集的节点集。
3.使用最小生成树算法生成最小生成树。
4.对生成的最小生成树进行剪枝操作，删除权重较大的边。
5.根据剪枝后的最小生成树，将剩余的边分成若干个子图，每个子图表示一个聚类簇。
6.输出聚类结果。
三、最小生成树聚类算法应用1.社交网络分析：对社交网络中的用户进行聚类，可以帮助发现社交网络中的社区结构和关键用户。
2.图像分割：对图像中的像素进行聚类，可以将图像分割成不同的区域，有助于图像分析和处理。
3.数据挖掘：对大规模数据集进行聚类分析，可以帮助发现数据集中的潜在模式和结构。
4.网络流量分析：对网络流量数据进行聚类，可以发现网络中的异常行为和攻击。
总结：最小生成树聚类算法是一种基于最小生成树的聚类方法，通过将数据点之间的相似度转化为距离，并利用最小生成树算法构建聚类结果。
最小生成树名词解释
最小生成树名词解释
最小生成树是一种用于解决图论中最小连接问题的算法，它在一个给定的连通图中寻找一个子图，该子图包含所有顶点，且边的权重之和最小。
在最小生成树中，只有图中的一部分边被选中，以连接图中的所有顶点，并且这些边的权重之和最小。
换句话说，最小生成树是图中的一棵树，它连接了图中的所有顶点，并且其边的权重之和最小。
最小生成树经常被应用于网络设计、城市规划、电网建设等领域。
通过找到最小生成树，可以有效地构建具有最小成本的网络或路线，并优化资源的分配。
常见的最小生成树算法有Prim算法和Kruskal算法，它们通过不同的策略来选择连接顶点的边，最终得到最小生成树。
最小生成树的概念和应用在实际生活中具有重要意义，可以帮助优化各种资源的利用和规划。
实验5最小生成树算法的设计与实现(报告)
实验5 最小生成树算法的设计与实现一、实验目的1、根据算法设计需要, 掌握连通图的灵活表示方法；2、掌握最小生成树算法，如Prim、Kruskal算法；3、基本掌握贪心算法的一般设计方法；4、进一步掌握集合的表示与操作算法的应用。
二、实验内容1、认真阅读算法设计教材和数据结构教材内容, 熟习连通图的不同表示方法和最小生成树算法；2、设计Kruskal算法实验程序。
有n个城市可以用（n-1）条路将它们连通，求最小总路程的和。
设计测试问题,修改并调试程序, 输出最小生成树的各条边, 直至正确为止。
三、Kruskal算法的原理方法边权排序:1 3 14 6 23 6 41 4 52 3 53 4 52 5 61 2 63 5 65 6 61. 初始化时：属于最小生成树的顶点U={}不属于最小生成树的顶点V={1，2，3，4，5，6}2. 根据边权排序，选出还没有连接并且权最小的边（1 3 1），属于最小生成树的顶点U={1，3}，不属于最小生成树的顶点V={2,4,5,6}3. 根据边权排序，选出还没有连接并且权最小的边（4 6 2），属于最小生成树的顶点U={{1，3}，{4，6}}（还没有合在一起，有两颗子树），不属于最小生成树的顶点V={2,5}4. 根据边权排序，选出还没有连接并且权最小的边（3 6 4），属于最小生成树的顶点U={1，3，4，6}（合在一起），不属于最小生成树的顶点V={2,5}5. 根据边权排序，选出还没有连接并且权最小的边（3 6 4），属于最小生成树的顶点U={1，2，3，4，6},，不属于最小生成树的顶点V={5}6. 根据边权排序，选出还没有连接并且权最小的边（3 6 4），属于最小生成树的顶点U={1，2，3，4，5，6}此时，最小生成树已完成四、实验程序的功能模块功能模块：bool cmp(Edge a,Edge b)； //定义比较方法x)；//在并查集森林中找到x的祖先int g etfa(intint s ame(int x,int y)； //判断祖先是否是同一个，即是否联通 void merge(int x,int y); //合并子树，即联通两子树sort(e+1,e+m+1,cmp); //对边按边权进行升序排序详细代码：#include <iostream>#include <cstdio>#include <cstring>#include <algorithm>#define M AXN_E 100000#define M AXN_V 100000using namespace std;struct Edge{int f m,to,dist;//边的起始顶点，边的到达顶点，边权}e[MAXN_E];int f a[MAXN_V],n,m; //顶点数组，顶点总数，边总数 //定义比较，只是边权比较bool cmp(Edge a,Edge b){return a.dist < b.dist;}//查找x的祖先是在并查集森林中找到x的祖先x){//getfaint g etfa(intreturn fa[x];if(fa[x]==x)else r eturn fa[x] = getfa(fa[x]);}//判断祖先是否是同一个，即是否联通int s ame(int x,int y){return getfa(x)==getfa(y);}//合并两棵树void merge(int x,int y){int f ax=getfa(x),fay=getfa(y);fa[fax]=fay;}int m ain(){int i;cout<<"请输入顶点数目和边数目："<<endl;cin>>n>>m;//n为点数，m为边数//输出顶点信息cout<<"各个顶点值依次为："<<endl;for(i=0;i<n;i++){fa[i]=i;if(i!=0)cout<<fa[i]<<" ";}cout<<endl;cout<<"请输入边的信息（例子：1 4 5 从顶点1到顶点4的边权为5）"<<endl;for(i=1;i<=m;i++)用边集数组存放边，方便排序和调用 cin>>e[i].fm>>e[i].to>>e[i].dist;//sort(e+1,e+m+1,cmp); //对边按边权进行升序排序表示目前的点共存在于多少个集合中，初始情况是每 int r st=n,ans=0;//rst个点都在不同的集合中for(i=1;i<=m && rst>1;i++){int x=e[i].fm,y=e[i].to;函数是查询两个点是否在同一集合中 if(same(x,y))continue;//sameelse{函数用来将两个点合并到同一集合中 merge(x,y);//mergerst--;//每次将两个不同集合中的点合并，都将使rst值减1这条边是最小生成树中的边，将答案加上边权 ans+=e[i].dist;//}}cout<<ans;return 0;}五、测试数据和相应的最小生成树Input:6 101 2 61 3 11 4 52 3 52 5 63 4 53 5 63 6 44 6 25 6 6Putout:18生成树为：七、思考题1、微软面试题一个大院子里住了50户人家，每家都养了一条狗，有一天他们接到通知说院子里有狗生病了，并要求所有主人在发现自己家狗生病的当天就要把狗枪杀掉。
最小生成树---普里姆算法（Prim算法）和克鲁斯卡尔算法（Kruskal算法）
最⼩⽣成树---普⾥姆算法（Prim算法）和克鲁斯卡尔算法（Kruskal算法）最⼩⽣成树的性质：MST性质（假设N=(V,{E})是⼀个连通⽹，U是顶点集V的⼀个⾮空⼦集，如果（u，v）是⼀条具有最⼩权值的边，其中u属于U，v属于V-U，则必定存在⼀颗包含边（u，v）的最⼩⽣成树）普⾥姆算法（Prim算法)思路：以点为⽬标构建最⼩⽣成树1.将初始点顶点u加⼊U中，初始化集合V-U中各顶点到初始顶点u的权值；2.根据最⼩⽣成树的定义：从n个顶点中，找出 n - 1条连线，使得各边权值最⼩。
循环n-1次如下操作：（1）从数组lowcost[k]中找到vk到集合U的最⼩权值边，并从数组arjvex[k] = j中找到该边在集合U中的顶点下标(2)打印此边，并将vk加⼊U中。
（3）通过查找邻接矩阵Vk⾏的各个权值，即vk点到V-U中各顶点的权值，与lowcost的对应值进⾏⽐较，若更⼩则更新lowcost，并将k存⼊arjvex数组中以下图为例#include<bits/stdc++.h>using namespace std;#define MAXVEX 100#define INF 65535typedef char VertexType;typedef int EdgeType;typedef struct {VertexType vexs[MAXVEX];EdgeType arc[MAXVEX][MAXVEX];int numVertexes, numEdges;}MGraph;void CreateMGraph(MGraph *G) {int m, n, w; //vm-vn的权重wscanf("%d %d", &G->numVertexes, &G->numEdges);for(int i = 0; i < G->numVertexes; i++) {getchar();scanf("%c", &G->vexs[i]);}for(int i = 0; i < G->numVertexes; i++) {for(int j = 0; j < G->numVertexes; j++) {if(i == j) G->arc[i][j] = 0;else G->arc[i][j] = INF;}}for(int k = 0; k < G->numEdges; k++) {scanf("%d %d %d", &m, &n, &w);G->arc[m][n] = w;G->arc[n][m] = G->arc[m][n];}}void MiniSpanTree_Prim(MGraph G) {int min, j, k;int arjvex[MAXVEX]; //最⼩边在 U集合中的那个顶点的下标int lowcost[MAXVEX]; // 最⼩边上的权值//初始化,从点 V0开始找最⼩⽣成树Tarjvex[0] = 0; //arjvex[i] = j表⽰ V-U中集合中的 Vi点的最⼩边在U集合中的点为 Vjlowcost[0] = 0; //lowcost[i] = 0表⽰将点Vi纳⼊集合 U ，lowcost[i] = w表⽰ V-U中 Vi点到 U的最⼩权值for(int i = 1; i < G.numVertexes; i++) {lowcost[i] = G.arc[0][i];arjvex[i] = 0;}//根据最⼩⽣成树的定义：从n个顶点中，找出 n - 1条连线，使得各边权值最⼩for(int i = 1; i < G.numVertexes; i++) {min = INF, j = 1, k = 0;//寻找 V-U到 U的最⼩权值minfor(j; j < G.numVertexes; j++) {// lowcost[j] != 0保证顶点在 V-U中，⽤k记录此时的最⼩权值边在 V-U中顶点的下标if(lowcost[j] != 0 && lowcost[j] < min) {min = lowcost[j];k = j;}}}printf("V[%d]-V[%d] weight = %d\n", arjvex[k], k, min);lowcost[k] = 0; //表⽰将Vk纳⼊ U//查找邻接矩阵Vk⾏的各个权值，与lowcost的对应值进⾏⽐较，若更⼩则更新lowcost，并将k存⼊arjvex数组中for(int i = 1; i < G.numVertexes; i++) {if(lowcost[i] != 0 && G.arc[k][i] < lowcost[i]) {lowcost[i] = G.arc[k][i];arjvex[i] = k;}}}int main() {MGraph *G = (MGraph *)malloc(sizeof(MGraph));CreateMGraph(G);MiniSpanTree_Prim(*G);}/*input:4 5abcd0 1 20 2 20 3 71 2 42 3 8output:V[0]-V[1] weight = 2V[0]-V[2] weight = 2V[0]-V[3] weight = 7最⼩总权值: 11*/时间复杂度O(n^2)克鲁斯卡尔算法（Kruskal算法）思路：以边为⽬标进⾏构建最⼩⽣成树在边集中依次寻找最⼩权值边，若构建是不形成环路（利⽤parent数组记录各点的连通分量），则将其添加到最⼩⽣成树中。
最小生成树问题例题
最小生成树问题例题最小生成树（Minimum Spanning Tree）是图论中的一个经典问题，它是指在一个带权无向图中找到一棵生成树，使得树上所有边的权值之和最小。
最小生成树问题在实际生活中有着广泛的应用，比如电力输送、通信网络等领域。
下面我们以一个具体的例子来说明最小生成树问题的求解过程。
假设有一个无向图，图中包含了6个节点（A、B、C、D、E、F）和9条边。
每条边都有一个权值，表示连接两个节点的成本。
我们的目标是找到一棵最小生成树。
首先，我们可以使用 Prim 算法来求解最小生成树。
Prim 算法的基本思想是从一个起始节点开始，逐步扩展生成树，直到包含所有节点为止。
具体步骤如下：1. 选择一个起始节点，将其标记为已访问。
2. 从已访问的节点中，选择一条连接到未访问节点的最短边。
3. 将这条边加入到最小生成树中，并将连接的节点标记为已访问。
4. 重复步骤2和步骤3，直到所有节点都被访问过。
根据上述算法，我们可以依次选取边 AB、CD、BC、EF、DE 来构建最小生成树。
最终的最小生成树是：A-B、C-D、B-C、E-F 和 D-E 这五条边，它们的权值之和为12。
另外一个常用的求解最小生成树问题的算法是 Kruskal 算法。
Kruskal 算法的基本思想是将图中的边按照权值从小到大进行排序，然后依次选取边，如果这条边连接的两个节点不在同一个连通分量中，就将这条边加入到最小生成树中。
具体步骤如下：1. 对图中的边按照权值进行排序。
2. 从权值最小的边开始，依次选取边。
3. 如果选取的边连接的两个节点不在同一个连通分量中，就将这条边加入到最小生成树中，并将连接的节点合并为一个连通分量。
4. 重复步骤2和步骤3，直到最小生成树中包含了所有的节点。
使用 Kruskal 算法求解上述例子，我们可以依次选取边 AB、BC、CD、DE、EF 来构建最小生成树。
最终的最小生成树是：A-B、B-C、C-D、D-E 和 E-F 这五条边，它们的权值之和也是12。
最小生成树唯一的充要条件
最小生成树唯一的充要条件最小生成树是一种在图论中常见的概念，它是一个连通无向图中的一棵生成树，其所有边的权值之和最小。
在实际应用中，最小生成树有着广泛的应用，比如在通信网络、电力网络和交通运输等领域。
要确定一个图的最小生成树是否唯一，需要满足以下充要条件：图中的每条边的权值互不相同。
这个条件是非常重要的，因为只有当图中的每条边的权值都不相同时，才能确保最小生成树的唯一性。
如果图中存在两条或多条边的权值相同，那么可能会有多个最小生成树。
为了更好地理解最小生成树唯一的充要条件，我们可以通过一个简单的例子来说明。
假设有一个无向图，其中包含4个顶点A、B、C、D，以及4条边AB、AC、BC、BD。
如果这些边的权值分别为1、2、3、4，那么根据最小生成树的算法，我们可以得到唯一的最小生成树，即连接顶点A、B、C的边AB、AC。
因为在这种情况下，每条边的权值都不相同，所以最小生成树是唯一的。
相反，如果图中存在两条或多条边的权值相同，那么就会出现多个最小生成树的情况。
比如，如果在上面的例子中，边AC的权值改为1，那么就会有两个最小生成树，一个是连接顶点A、B、C的边AB、AC，另一个是连接顶点A、C、D的边AC、CD。
这是因为存在两条权值相同的边AB和AC，所以会有多个最小生成树。
因此，最小生成树的唯一性与图中每条边的权值是否相同密切相关。
只有当图中的每条边的权值都不相同时，最小生成树才是唯一的。
这个充要条件在实际应用中非常重要，因为只有满足这个条件，我们才能准确地求解出最小生成树，从而优化网络结构，提高效率。
最小生成树唯一的充要条件是图中的每条边的权值互不相同。
只有当图中的每条边的权值都不相同时，最小生成树才是唯一的。
这个条件在实际应用中非常重要，因为只有满足这个条件，我们才能准确地求解出最小生成树，从而优化网络结构，提高效率。
希望通过本文的介绍，读者能够更好地理解最小生成树的唯一性条件，为实际应用提供参考。
最小生成树（普里姆算法）
最⼩⽣成树（普⾥姆算法）：所谓⽣成树，就是n个点之间连成n-1条边的图形。
⽽最⼩⽣成树，就是权值（两点间直线的值）之和的最⼩值。
⾸先，要⽤⼆维数组记录点和权值。
如上图所⽰⽆向图：int map[7][7];map[1][2]=map[2][1]=4;map[1][3]=map[3][1]=2;......然后再求最⼩⽣成树。
具体⽅法是：1.先选取⼀个点作起始点，然后选择它邻近的权值最⼩的点（如果有多个与其相连的相同最⼩权值的点，随便选取⼀个）。
如1作为起点。
visited[1]=1;pos=1;//⽤low[]数组不断刷新最⼩权值，low[i](0<i<=点数)的值为：i点到邻近点（未被标记）的最⼩距离。
low[1]=0; //起始点i到邻近点的最⼩距离为0low[2]=map[pos][2]=4;low[3]=map[pos][3]=2;low[4]==map[pos][4]=3;low[5]=map[pos][5]=MaxInt; //⽆法直达low[6]=map[pos][6]=MaxInt;2.再在伸延的点找与它邻近的两者权值最⼩的点。
//low[]以3作当前位置进⾏更新visited[3]=1;pos=3;low[1]=0; //已标记，不更新low[2]=map[1][2]=4; //⽐5⼩，不更新low[3]=2; //已标记，不更新low[4]=map[1][4]=3; //⽐1⼤，更新后为：low[4]=map[3][4]=1;low[5]=map[1][5]=MaxInt;//⽆法直达，不更新low[6]=map[1][6]=MaxInt;//⽐2⼤，更新后为：low[6]=map[3][6]=2;3.如此类推...当所有点都连同后，结果最⽣成树如上图所⽰。
所有权值相加就是最⼩⽣成树，其值为2+1+2+4+3=12。
⾄于具体代码如何实现，现在结合POJ1258例题解释。
最小生成树 课程思政
最小生成树课程思政最小生成树是图论中的一个重要概念，也是计算机科学中的常用算法之一。
它在实际应用中有着广泛的意义，不仅可以用于网络设计、通信传输等领域，也可以用于社交网络分析、物流规划等问题的求解。
本文将以“最小生成树”为主题，探讨其概念、应用和算法实现等方面。
第一部分：概念介绍最小生成树是指在一个连通无向图中，找出一个子图，使得该子图包含原图的所有顶点，且边的权重之和最小。
换言之，最小生成树是连接所有顶点的一棵树，并且树的边的权重之和最小。
第二部分：应用领域最小生成树在实际应用中有着广泛的用途。
首先，它可以用于网络设计。
在计算机网络中，最小生成树可以帮助我们选择一些关键节点，以便构建一个高效的网络拓扑结构，从而提高网络的传输效率和稳定性。
其次，最小生成树还可以用于物流规划。
在物流领域，我们需要确定一些关键的物流节点，以便降低物流成本和提高物流效率。
此外，最小生成树还可以用于社交网络分析。
通过构建一个社交关系的图模型，并应用最小生成树算法，我们可以找出社交网络中的核心节点，从而更好地理解和分析社交关系的结构和特征。
第三部分：算法实现在实际应用中，我们可以使用多种算法来求解最小生成树问题，如Prim算法和Kruskal算法等。
这些算法的基本思想是通过不断地选择权重最小的边，并保证边的选择不会形成环路，最终得到最小生成树。
具体而言，Prim算法是一种贪心算法，它从一个初始节点开始，逐步扩展最小生成树的边，直到包含所有节点为止。
Kruskal 算法则是基于边的排序和并查集等数据结构来实现的，它按照边的权重从小到大的顺序逐个选择边，并保证边的选择不会形成环路。
第四部分：最小生成树的优势和局限性最小生成树作为一种图论中的重要概念和算法，具有以下优势：首先，它能够帮助我们找到一个连通图的最优子图，从而减少了冗余的边和节点，使得网络更加紧凑和高效。
其次，最小生成树可以帮助我们发现网络中的关键节点和连接关系，为网络优化和改进提供了重要的参考依据。
最小生成树
}edge[111边的条数,s用来存放最小生成树的总权值 int root[111];//存储父节点
bool cmp(Edge a,Edge b) {
return a.d<b.d; } int find(int a)//寻找父节点
T1
u
顶 点 集 U
u'
T2 v
顶 点 集 V－U
13
应用举例——最小生成树
Prim算法
34 B 12
A 19
26 E
F
46 25
25 38
C
D
17
U={A}
V-U={B, C, D, E, F}
cost={(A, B)34, (A, C)46, (A, D)∞, (A, E)∞, (A, F)19}
最小生成树
生成树是一个连通图G的一个极小连通子 图。包含G的所有n个顶点，但只有n-1条 边，并且是连通的。
当生成树中所包含的边的权值和最小， 我们称之为最小生成树。
最小生成树性质
最小生成树的边数必然是顶点数减一，|E| = |V| - 1。 最小生成树不可以有循环。 最小生成树不必是唯一的。
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应用举例——最小生成树
Prim算法
34 B 12
A 19
26 E
F
46 25
25 38
C
D
17
U={A, F, C, D} V-U={B, E} cost={(A, B)34, (F, E)26}
{ if(root[a]==a) return a; return root[a]=find(root[a]);
最小生成树的方法
最小生成树的方法
最小生成树（Minimum Spanning Tree）是指在一个带权无向连通图中，找到一个包含所有顶点且总权值最小的树。
常用的方法有以下几种：
1. Prim算法（普里姆算法）：从一个起始顶点开始，逐步扩展生成树，每次选择一个与当前生成树距离最小的顶点加入，直到所有顶点都被包含在生成树中。
2. Kruskal算法（克鲁斯卡尔算法）：首先将图的所有边按照权值从小到大排序，然后依次选择权值最小的边加入生成树中，但要保证加入边后不会形成环，直到生成树中包含所有顶点，或者图中的所有边都被考虑过。
3. Boruvka算法（博鲁卡尔算法）：将图的所有顶点分成多个不相交的集合，每个集合中的顶点组成一棵生成树，然后每次选择具有最小权值且连接两个不同集合的边加入生成树中，直到只剩下一个集合。
4. Jarnik算法（加尔尼克算法）：也称为更改版的Prim算法，首先选择一个起始顶点加入生成树中，然后通过比较当前生成树中的顶点到其他顶点的距离，选择一个距离最小的顶点加入生成树，重复该过程直到所有顶点都被包含在生成树中。
这些方法都可以得到最小生成树，但在某些情况下，它们的效率和性能可能会不同。
选择合适的方法取决于具体的应用场景和图的特征。
克鲁斯卡尔算法最小生成树过程
克鲁斯卡尔算法最小生成树过程嘿，朋友！咱们今天来聊聊克鲁斯卡尔算法最小生成树过程，这玩意儿听起来有点复杂，是不是？但别怕，跟着我，保证让你弄个明白！咱先来说说啥是生成树。
你就想象你有一堆城市，城市之间有路相连。
要把这些城市都连起来，还得让线路最短，这连起来的线路就是生成树。
那最小生成树呢，就是在所有可能的连线方式里，线路总长最短的那种。
克鲁斯卡尔算法就是找到这个最小生成树的好办法。
它就像个聪明的小侦探，一步步找出最合适的连线。
它是怎么工作的呢？一开始，它把所有的边都按照长度从小到大排好队。
这就好比把一堆长短不一的小木棍按照长度排整齐。
然后呢，从最短的边开始，一条一条地看。
如果加上这条边不会形成环，那就把它留下来，就好像你找到了一根合适的木棍能稳稳地搭在你的“城市线路”里。
要是加上这条边就形成环了，那可不行，得扔掉，这就好比一根木棍放进去会让你的线路乱套，那可不能要。
你说这是不是有点像搭积木？得挑合适的，不合适的就扔一边。
比如说，有五个城市A、B、C、D、E ，它们之间的距离是这样的：A 到 B 是 3 ，A 到 C 是 5 ，B 到 C 是 4 ，B 到 D 是 2 ，C 到 E 是 6 。
按照克鲁斯卡尔算法，先把边按照长度排好，最短的是 B 到 D ，长度为 2 。
加上这条边，没问题，不会形成环。
然后是 A 到 B ，长度为 3 ，加上，也没问题。
再看 A 到 C ，长度为 5 ，加上，还是没问题。
就这样一步步地，最后就能找到那个能把所有城市连起来，而且线路最短的办法，也就是最小生成树啦！你想想，如果在现实生活中，要铺设管道啊，架电线啊，用这个算法是不是能省好多材料，省好多钱？所以说，克鲁斯卡尔算法虽然听起来有点神秘，但其实就是个聪明的小技巧，能帮我们解决好多实际问题呢！学会了它，咱们在处理这类问题的时候，就能像个高手一样，轻松搞定！。
最小生成树c语言
最小生成树c语言全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：最小生成树（Minimum Spanning Tree）是图论中的一个重要概念，它表示一个无向连通图的子图，该子图是该连通图的一棵树，包含图中的所有顶点，并且具有最小的权值总和。
在计算机科学领域中，最小生成树的算法被广泛应用在网络设计、通信传输、电力分配等领域，具有重要的实际意义。
Prim算法和Kruskal算法是两种常用的最小生成树算法。
Prim算法基于贪心策略，在每一步选择连接已经选取的顶点和未选取的顶点之间权值最小的边，直到所有顶点都被选取为止。
而Kruskal算法则是基于并查集实现的，首先将所有的边按照权值排序，然后按照权值从小到大的顺序逐个考虑，如果该边连接的两个端点不在同一个集合中，就将它和这两个端点所在的集合合并，直到生成最小生成树。
在本文中，我们将介绍使用C语言实现Prim算法和Kruskal算法的方法，并通过一个具体的例子来说明如何计算最小生成树。
我们来看看Prim算法的实现：```c#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define MAXV 10000#define INF 1000000int graph[MAXV][MAXV];int visited[MAXV];int parent[MAXV];int key[MAXV];int prim(int n) {int i, j, u, v, min, mincost = 0; for (i = 0; i < n; i++) {key[i] = INF;visited[i] = 0;}key[0] = 0;parent[0] = -1;for (i = 0; i < n; i++) {min = INF;u = -1;for (j = 0; j < n; j++) {if (!visited[j] && key[j] < min) {min = key[j];u = j;}}if (u == -1) return -1;return mincost;}上面的代码实现了Prim算法，通过输入图的顶点数和边数，以及每条边的起点、终点和权值，计算得到最小生成树的最小权值总和。
最小生成树唯一的充要条件
最小生成树唯一的充要条件最小生成树是图论中的一个重要概念，它是一棵生成树，包含所有图中的节点，并且具有最小的总权值。
在实际应用中，最小生成树被广泛运用于网络设计、城市规划等领域，因此，了解最小生成树的充要条件对于深入理解这些应用至关重要。
接下来，我们将介绍最小生成树唯一的充要条件。
一、什么是最小生成树最小生成树指的是一个无向图的生成树，它的所有边的权值之和最小。
一个无向图的生成树是指一棵树，包含所有图中的节点，并且只有图中的边。
因此，最小生成树是一个无向图的一种特殊情况。
二、最小生成树的唯一充要条件最小生成树有一个重要的性质，即它是唯一的当且仅当该无向图中不存在权值相同的边。
具体来说，设有一个无向图G=(V,E)，其中V是节点的集合，E是边的集合。
假设生成树T是G的一个生成树，我们需要证明最小生成树T是唯一的当且仅当G中不存在权值相同的边。
充分性证明：首先，假设最小生成树T是唯一的，我们需要证明G中不存在权值相同的边。
假设存在权值相同的边e1和e2，它们的权值都为w。
根据前提条件，T是最小生成树，因此T必须包含一条边e1或e2，假设T包含边e1，那么将边e1替换成e2，得到一棵新的生成树T'。
此时，T'中还有n-2条边需要加入。
因为T是最小生成树，所以T'的总权值必须大于等于T的总权值。
但是，由于e1和e2都是权值为w的边，所以将其替换不会改变T的总权值，即T'的总权值等于T的总权值。
因此，T'不能是最小生成树，与前提条件不符。
综上所述，最小生成树T是唯一的，则G中不存在权值相同的边。
必要性证明：然后，我们需要证明G中不存在权值相同的边，则最小生成树T是唯一的。
假设存在两棵生成树T1和T2，它们的权值之和相等，但是它们不相同。
由于T1和T2都是生成树，因此它们都包含n-1条边。
我们假设T1中有一条边e不在T2中，而T2中有一条边f不在T1中。
由于e不在T2中，因此e和f可以构成一个环。
数据结构（三十三）最小生成树（Prim、Kruskal）
数据结构（三⼗三）最⼩⽣成树（Prim、Kruskal） ⼀、最⼩⽣成树的定义 ⼀个连通图的⽣成树是⼀个极⼩的连通⼦图，它含有图中全部的顶点，但只有⾜以构成⼀棵树的n-1条边。
在⼀个⽹的所有⽣成树中，权值总和最⼩的⽣成树称为最⼩代价⽣成树（Minimum Cost Spanning Tree），简称为最⼩⽣成树。
构造最⼩⽣成树的准则有以下3条：只能使⽤该图中的边构造最⼩⽣成树当且仅当使⽤n-1条边来连接图中的n个顶点不能使⽤产⽣回路的边 对⽐两个算法，Kruskal算法主要是针对边来展开，边数少时效率会⾮常⾼，所以对于稀疏图有很⼤的优势；⽽Prim算法对于稠密图，即边数⾮常多的情况会更好⼀些。
⼆、普⾥姆（Prim）算法 1.Prim算法描述 假设N={V,{E}}是连通⽹，TE是N上最⼩⽣成树中边的集合。
算法从U={u0，u0属于V}，TE={}开始。
重复执⾏下⾯的操作：在所有u属于U，v 属于V-U的边(u,v)中找⼀条代价最⼩的边(u0,v0)并加⼊集合TE，同时v0加⼊U，直到U=V为⽌。
此时TE中必有n-1条边，则T=(V,{TE})为N的最⼩⽣成树。
2.Prim算法的C语⾔代码实现/* Prim算法⽣成最⼩⽣成树 */void MiniSpanTree_Prim(MGraph G){int min, i, j, k;int adjvex[MAXVEX]; /* 保存相关顶点下标 */int lowcost[MAXVEX]; /* 保存相关顶点间边的权值 */lowcost[0] = 0;/* 初始化第⼀个权值为0，即v0加⼊⽣成树 *//* lowcost的值为0，在这⾥就是此下标的顶点已经加⼊⽣成树 */adjvex[0] = 0; /* 初始化第⼀个顶点下标为0 */for(i = 1; i < G.numVertexes; i++) /* 循环除下标为0外的全部顶点 */{lowcost[i] = G.arc[0][i]; /* 将v0顶点与之有边的权值存⼊数组 */adjvex[i] = 0; /* 初始化都为v0的下标 */}for(i = 1; i < G.numVertexes; i++){min = INFINITY; /* 初始化最⼩权值为∞， *//* 通常设置为不可能的⼤数字如32767、65535等 */j = 1;k = 0;while(j < G.numVertexes) /* 循环全部顶点 */{if(lowcost[j]!=0 && lowcost[j] < min)/* 如果权值不为0且权值⼩于min */{min = lowcost[j]; /* 则让当前权值成为最⼩值 */k = j; /* 将当前最⼩值的下标存⼊k */}j++;}printf("(%d, %d)\n", adjvex[k], k);/* 打印当前顶点边中权值最⼩的边 */lowcost[k] = 0;/* 将当前顶点的权值设置为0,表⽰此顶点已经完成任务 */for(j = 1; j < G.numVertexes; j++) /* 循环所有顶点 */{if(lowcost[j]!=0 && G.arc[k][j] < lowcost[j]){/* 如果下标为k顶点各边权值⼩于此前这些顶点未被加⼊⽣成树权值 */lowcost[j] = G.arc[k][j];/* 将较⼩的权值存⼊lowcost相应位置 */adjvex[j] = k; /* 将下标为k的顶点存⼊adjvex */}}}}Prim算法 3.Prim算法的Java语⾔代码实现package bigjun.iplab.adjacencyMatrix;/*** 最⼩⽣成树之Prim算法*/public class MiniSpanTree_Prim {int lowCost; // 顶点对应的权值public CloseEdge(Object adjVex, int lowCost) {this.adjVex = adjVex;this.lowCost = lowCost;}}private static int getMinMum(CloseEdge[] closeEdges) {int min = Integer.MAX_VALUE; // 初始化最⼩权值为正⽆穷int v = -1; // 顶点数组下标for (int i = 0; i < closeEdges.length; i++) { // 遍历权值数组，找到最⼩的权值以及对应的顶点数组的下标if (closeEdges[i].lowCost != 0 && closeEdges[i].lowCost < min) {min = closeEdges[i].lowCost;v = i;}}return v;}// Prim算法构造图G的以u为起始点的最⼩⽣成树public static void Prim(AdjacencyMatrixGraphINF G, Object u) throws Exception{// 初始化⼀个⼆维最⼩⽣成树数组minSpanTree，由于最⼩⽣成树的边是n-1，所以数组第⼀个参数是G.getVexNum() - 1，第⼆个参数表⽰边的起点和终点符号，所以是2 Object[][] minSpanTree = new Object[G.getVexNum() - 1][2];int count = 0; // 最⼩⽣成树得到的边的序号// 初始化保存相关顶点和相关顶点间边的权值的数组对象CloseEdge[] closeEdges = new CloseEdge[G.getVexNum()];int k = G.locateVex(u);for (int j = 0; j < G.getVexNum(); j++) {if (j!=k) {closeEdges[j] = new CloseEdge(u, G.getArcs()[k][j]);// 将顶点u到其他各个顶点权值写⼊数组中}}closeEdges[k] = new CloseEdge(u, 0); // 加⼊u到⾃⾝的权值0for (int i = 1; i < G.getVexNum(); i++) { // 注意，这⾥从1开始，k = getMinMum(closeEdges); // 获取u到数组下标为k的顶点的权值最短minSpanTree[count][0] = closeEdges[k].adjVex; // 最⼩⽣成树第⼀个值为uminSpanTree[count][1] = G.getVexs()[k]; // 最⼩⽣成树第⼆个值为k对应的顶点count++;closeEdges[k].lowCost = 0; // 下标为k的顶点不参与最⼩权值的查找了for (int j = 0; j < G.getVexNum(); j++) {if (G.getArcs()[k][j] < closeEdges[j].lowCost) {closeEdges[j] = new CloseEdge(G.getVex(k), G.getArcs()[k][j]);}}}System.out.print("通过Prim算法得到的最⼩⽣成树序列为: {");for (Object[] Tree : minSpanTree) {System.out.print("(" + Tree[0].toString() + "-" + Tree[1].toString() + ")");}System.out.println("}");}} 4.举例说明Prim算法实现过程 以下图为例： 测试类：// ⼿动创建⼀个⽤于测试最⼩⽣成树算法的⽆向⽹public static AdjacencyMatrixGraphINF createUDNByYourHand_ForMiniSpanTree() {Object vexs_UDN[] = {"V0", "V1", "V2", "V3", "V4", "V5", "V6", "V7", "V8"};int arcsNum_UDN = 15;int[][] arcs_UDN = new int[vexs_UDN.length][vexs_UDN.length];for (int i = 0; i < vexs_UDN.length; i++) // 构造⽆向图邻接矩阵for (int j = 0; j < vexs_UDN.length; j++)if (i==j) {arcs_UDN[i][j]=0;} else {arcs_UDN[i][j] = arcs_UDN[i][j] = INFINITY;}arcs_UDN[0][5] = 11;arcs_UDN[1][2] = 18;arcs_UDN[1][6] = 16;arcs_UDN[1][8] = 12;arcs_UDN[2][3] = 22;arcs_UDN[2][8] = 8;arcs_UDN[3][4] = 20;arcs_UDN[3][6] = 24;arcs_UDN[3][7] = 16;arcs_UDN[3][8] = 21;arcs_UDN[4][5] = 26;arcs_UDN[4][7] = 7;arcs_UDN[5][6] = 17;arcs_UDN[6][7] = 19;for (int i = 0; i < vexs_UDN.length; i++) // 构造⽆向图邻接矩阵for (int j = i; j < vexs_UDN.length; j++)arcs_UDN[j][i] = arcs_UDN[i][j];return new AdjMatGraph(GraphKind.UDN, vexs_UDN.length, arcsNum_UDN, vexs_UDN, arcs_UDN);}public static void main(String[] args) throws Exception {AdjMatGraph UDN_Graph = (AdjMatGraph) createUDNByYourHand_ForMiniSpanTree();MiniSpanTree_Prim.Prim(UDN_Graph, "V0");} 输出为：通过Prim算法得到的最⼩⽣成树序列为: {(V0-V1)(V0-V5)(V1-V8)(V8-V2)(V1-V6)(V6-V7)(V7-V4)(V7-V3)} 分析算法执⾏过程：从V0开始：-count为0，k为0，closeEdges数组的-lowCost为{0 10 INF INF INF 11 INF INF INF}，adjVex数组为{V0，V0，V0，V0，V0，V0，V0，V0，V0}-⽐较lowCost，于是k为1，adjVex[1]为V0，minSpanTree[0]为（V0，V1），lowCost为{0 0 INF INF INF 11 INF INF INF}-k为1，与V1的权值⾏⽐较，得到新的-lowCost为：{0 0 18 INF INF 11 16 INF 12}，adjVex数组为{V0，V0，V1，V0，V0，V0，V1，V0，V1}-⽐较lowCost，于是k为5，adjVex[5]为V0，minSpanTree[1]为（V0，V5），lowCost为{0 0 18 INF INF 0 16 INF 12}-k为5，与V5的权值⾏⽐较，得到新的-lowCost为{0 0 18 INF 26 0 16 INF 12}，adjVex数组为{V0，V0，V1，V0，V5，V0，V1，V0，V1}-⽐较lowCost，于是k为8，adjVex[8]为V1，minSpanTree[2]为（V1，V8），lowCost为{0 0 18 INF INF 0 16 INF 0}... 三、克鲁斯卡尔（Kruskal）算法 1.Kruskal算法描述 Kruskal算法是根据边的权值递增的⽅式，依次找出权值最⼩的边建⽴的最⼩⽣成树，并且规定每次新增的边，不能造成⽣成树有回路，直到找到n-1条边为⽌。
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最小生成树
• 一、
最小生成树问题
• 二、
如何构造最小生成树
一、
最小生成树问题
现实案例： 要在 n 个城市之间建立通信联络网，则 连通 n 个城市只需要修建 n-1条线路，如 何在最节省经费的前提下建立这个通信网？ •
？？？
• 问题转化 用连通网来表示n个城市以及n个城市 之间可能设置的通信线路，其中网中的 顶点表示城市，边表示两城市之间的线 路，赋于边的权值表示相应的经济代价。
6 B 3
6
3 4 5 5 5 6 6 6
AC 1 DF 2 BE 3 CF 4 BC 5
• 例子：
6
A
1
5 5
A D
2
A
1
B
5 3 6
B C
D
B C
1
D
4
C
4
E
6 （a）
F
E
（b）
F
E
（c）
F
A
A A
1
B
C
D
2
B
1 5
D
1
C
4 4
Bபைடு நூலகம்
2 3
5
D
C
4 2
E
（d）
F
E
（e）
F E
（f）
F
• 在此处引入辅助数组
U {A} 6 B 3 5 5 A 5 D 2 {A,C} {A,C,F} {B,D,E,F} V-U B C D E F TE
{E}
{}
• 小试牛刀
19
A B
5
C
18
G
14 12
7 16
E
8
D
3
B
9 5 3 5 2
C
E
3
27
F
21
A
4
7
D
F
6 2
（1）
4
5
H
5
G
6
（2）
• 解：
A B
5
C
14
16
E
G
8
D
3
B
E
3
F
F
21
A
3 5 2
C
D
2
（1）
4
H
5
G
（2）
克鲁斯卡尔算法
考虑问题的出发点: 为使生成树上边的权值之 和达到最小，则应使生成树中每一条边的权值 尽可能地小。 具体做法: 先构造一个只含 n 个顶点的子图 SG，然后从权值最小的边开始，若它的添加 不使SG 中产生回路，则在 SG 上加上这条边， 如此重复，直至加上 n-1 条边为止。 一句话，“不构成环的情况下，每次选取最小 边”
{B,C,D,E, F}
AB 6 CB 5 CB 5 CB 5
AC 1
AD 5 AD 5 FD 2
~ ∞ CE 6 CE 6 CE 6
BE 3
~ ∞ CF 4
AC 1 CF 4 FD 2 CB 5
BE 3
1 C 6 E
6
{B,D,E}
4 F {A,C,F,D} {B,E}
{A,C,F,D,B}
{A,C,F,D,B ,E}
建立总花费最少的通信网问题就转 换为求连通网的最小生成树的问题。
• 回忆赫夫曼树（最优二叉树）
•
假设有n个权值{w1，w2……wn}，构 造一棵n个子叶结点的二叉树，每个子叶带 权为wi，则其中带权路径长度WPL最小的 二叉树。
• 相似最小生成树可有如下定义
• 最小生成树定义
•
按照生成树的定义，含n个顶点的 连通网的生成树有n个顶点、n-1条边 （不构成回路）。因此，可以建立许 多不同的生成树，如果一棵生成树的 代价等于树上各边权值之和，那么肯 定有一棵生成树的代价最小，称为最 小代价生成树（简称最小生成树）。
• 例子：
6
A
1 5
A
5
A
1
B
5 3 6
D
2
B C
D
B C
1
D
2
C
4
E
6 （a）
F
E
（b）
F
E
（c）
F
A
A A
1
B
3
D
2
B C
3
1
D
1
B
4 2 3
5
D
C
4 2
C E
（d）
F
E
（e）
F E
（f）
F
TE
A 1 5 C 6 E 4 5 2 F
1 2
5 D
A C D F B C C A B A C E E F D D C B E F
• 二、 如何构造最小生成树？
• MST性质： • 假设N=(V,{E})是一个连通网，U是顶点 集V的一个非空子集。若(u, v)是一条具有 最小权值（代价）的边，其中u∈U，v ∈V-U，则最小生成树中必包含边(u, v)。 •
u
v
U
V-U
• •
普里姆算法
假设N=(V,{E})是连通图，TE是N上最小生 成树中边的集合。算法从U={u0}(u0∈V)， TE={}开始，重复执行下述操作：在所有 u∈U, v ∈V-U的边(u,v)∈E中找一条代价最 小的边(u0,v0)并入集合TE，同时v0并入U， 直至U=V为止。此时TE中必有n-1条边，则 T=(V,{TE})为N的最小生成树。 • （从一个结点的子图开始构造生成树：选 择连接当前子图和子图外结点的最小权边， 将相应结点和边加入子图，直至将所有结点 加入子图。）