算法与数据结构基础 - 合并查找(Union Find)
2019-04-20 15:14 bangerlee 阅读(4597) 评论(0) 编辑 收藏 举报Union Find算法基础
Union Find算法用于处理集合的合并和查询问题,其定义了两个用于并查集的操作:
- Find: 确定元素属于哪一个子集,或判断两个元素是否属于同一子集
- Union: 将两个子集合并为一个子集
并查集是一种树形的数据结构,其可用数组或unordered_map表示:
Find操作即查找元素的root,当两元素root相同时判定他们属于同一个子集;Union操作即通过修改元素的root(或修改parent)合并子集,下面两个图展示了id[6]由6修改为9的变化:
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Union Find算法应用
Union Find可用于解决集合相关问题,如判断某元素是否属于集合、两个元素是否属同一集合、求解集合个数等,算法框架如下:
//261. Graph Valid Tree bool validTree(int n, vector<pair<int, int>>& edges) { vector<int> num(n,-1); for(auto edge:edges){ //find查看两点是否已在同一集合 int x=find(num,edge.first); int y=find(num,edge.second); if(x==y) return false; //两点已在同一集合情况下则出现环 //union让两点加入同一集合 num[x]=y; } return n-1==edges.size(); } int find(vector<int>&num,int i){ if(num[i]==-1) return i; return find(num,num[i]); //id[id[...id[i]...]] }
一些情况下为清晰和解偶会将Uinon Find实现为一个类,独立出明显的Union和Find两个操作。
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算法优化
有两种常用的方法用来降低并查集树形结构的高度、以减少Uinon Find算法的时间复杂度,这两种方法是:
Weighting(或称作Ranking): 使用多一个数组记录每个集合的size,Uinon时将size小的集合挂到size大的集合下,例如:
对3、5 Uinon,因3所在集合元素size 4大于5所在集合元素size 2,将6挂到9下而不是将9挂到6下。
Path compression: 对一个集合下的元素直接挂到root之下,而不是挂到其parent,path compression实现很简单只需在Find中加一行代码:
string find(unordered_map<string,string>& root,string s){ if(root[s]!=s) root[s]=find(root,root[s]); return root[s]; }
加入path compression也能实现减少并查集树高度的效果,图示如下:
Weighting和Path compression两种方法可以同时使用,这样使得对N个元素进行M次Union Find操作的时间复杂度可以减少到 (M+N)lgN。因lgN随N的增长变化很小,所以整体算法时间复杂度接近于线性的时间复杂度。
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