Leetcode 1168. 水资源分配优化
1.题目基本信息
1.1.题目描述
村里面一共有 n 栋房子。我们希望通过建造水井和铺设管道来为所有房子供水。
对于每个房子 i,我们有两种可选的供水方案:一种是直接在房子内建造水井,成本为 wells[i – 1] (注意 -1 ,因为 索引从0开始 );另一种是从另一口井铺设管道引水,数组 pipes 给出了在房子间铺设管道的成本,其中每个 pipes[j] = [house1_j, house2_j, cost_j] 代表用管道将 house1_j 和 house2_j连接在一起的成本。连接是双向的。
请返回 为所有房子都供水的最低总成本 。
1.2.题目地址
https://leetcode.cn/problems/optimize-water-distribution-in-a-village/description/
2.解题方法
2.1.解题思路
最小生成树+Prim算法/Kruskal算法
2.2.解题步骤
第一步,使用邻接表的方式构建图。对于直接在房子内建造水井的情况,创建一个虚拟节点0,将造价作为权值,使其参加到整个无向图中。
第二步,使用Prim算法模板或者Kruskal算法模板解除最小生成树的权值和(详情可以看下代码的注释)
3.解题代码
Python代码(Prim算法)
from collections import defaultdict
import heapq
from typing import Dict,List
# ==> prim算法模板:用于计算无向图的最小生成树及最小权值和
# graph:无向图的邻接表;item项例子:{节点:[[相邻边的权值,相邻边对面的节点],...],...}
# return:最小生成树的权值和;一个合法的最小生成树的边的列表(列表项:[节点,对面节点,两点之间的边的权值])
def primMinSpanningTree(graph:Dict[object,List[List]]):
minWeightsSum,treeEdges=0,[]
firstNode=list(graph.keys())[0]
# 记录已经加入最小生成树的节点
visited=set([firstNode])
# 选择从firstNode开始,相邻的边加到堆中
neighEdgesHeap=[item+[firstNode] for item in graph[firstNode]]
heapq.heapify(neighEdgesHeap)
while len(visited)<len(graph):
weight,node,node2=heapq.heappop(neighEdgesHeap) # node2为node的weight权值对应的边的对面的节点
if node not in visited: # 这个地方必须进行判断,否则会造成重复添加已访问节点,造成最小权值和偏大(因为前面遍历的节点可能将未遍历的共同相邻节点重复添加到堆中)
minWeightsSum+=weight
treeEdges.append([node,node2,weight])
visited.add(node)
# 遍历新访问的节点的边,加入堆中
for nextWeight,nextNode in graph[node]:
if nextNode not in visited:
heapq.heappush(neighEdgesHeap,[nextWeight,nextNode,node])
return minWeightsSum,treeEdges
class Solution:
# Prim算法
def minCostToSupplyWater(self, n: int, wells: List[int], pipes: List[List[int]]) -> int:
# 构建图(邻接表),item项:(费用,房子标记)
graph=defaultdict(list)
for index,well in enumerate(wells):
graph[0].append([well,index+1])
graph[index+1].append([well,0])
for pipe in pipes:
graph[pipe[0]].append([pipe[2],pipe[1]])
graph[pipe[1]].append([pipe[2],pipe[0]])
minTotalCost,_=primMinSpanningTree(graph)
return minTotalCost
Python代码(Kruskal算法)
# # ==> 并查集模板(附优化)
class UnionFind():
def __init__(self):
self.roots={}
# Union优化:存储根节点主导的集合的总节点数
self.rootSizes={}
def add(self,x):
if x not in self.roots:
self.roots[x]=x
self.rootSizes[x]=1
def find(self,x):
root=x
while root != self.roots[root]:
root=self.roots[root]
# 优化:压缩路径
while x!=root:
temp=self.roots[x]
self.roots[x]=root
x=temp
return root
def union(self,x,y):
rootx,rooty=self.find(x),self.find(y)
if rootx!=rooty:
# 优化:小树合并到大树上
if self.rootSizes[rootx]<self.rootSizes[rooty]:
self.roots[rootx]=rooty
self.rootSizes[rooty]+=self.rootSizes[rootx]
else:
self.roots[rooty]=rootx
self.rootSizes[rootx]+=self.rootSizes[rooty]
class Solution:
# Kruskal算法
def minCostToSupplyWater(self, n: int, wells: List[int], pipes: List[List[int]]) -> int:
# 构建图(邻接表),item项:(费用,房子标记)
graph=defaultdict(list)
edgesHeap=[]
for index,well in enumerate(wells):
graph[0].append((well,index+1))
graph[index+1].append((well,0))
heapq.heappush(edgesHeap,(well,0,index+1))
for pipe in pipes:
graph[pipe[0]].append((pipe[2],pipe[1]))
graph[pipe[1]].append((pipe[2],pipe[0]))
heapq.heappush(edgesHeap,(pipe[2],pipe[0],pipe[1]))
# print(graph)
# 构建点的并查集并初始化节点
uf=UnionFind()
for i in range(n+1):
uf.add(i)
minTotalCost=0
# 边的条数固定,一条一条的加
addedEdgeCnt=0
while addedEdgeCnt<n:
# print(edgesHeap)
cost,house1,house2=heapq.heappop(edgesHeap)
if uf.find(house1)!=uf.find(house2):
uf.union(house1,house2)
minTotalCost+=cost
addedEdgeCnt+=1
return minTotalCost