diff --git a/luku15.tex b/luku15.tex index 99172cf..158e39c 100644 --- a/luku15.tex +++ b/luku15.tex @@ -1,17 +1,15 @@ \chapter{Spanning trees} -\index{virittxvx puu@virittävä puu} +\index{spanning tree} -\key{Virittävä puu} on kokoelma -verkon kaaria, -joka kytkee kaikki -verkon solmut toisiinsa. -Kuten puut yleensäkin, -virittävä puu on yhtenäinen ja syklitön. -Virittävän puun muodostamiseen -on yleensä monia tapoja. +A \key{spanning tree} is a set of edges of a graph +such that there is a path between any two nodes +in the graph using only the edges in the spanning tree. +Like trees in general, a spanning tree is +connected and acyclic. +Usually, there are many ways to construct a spanning tree. -Esimerkiksi verkossa +For example, in the graph \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] \node[draw, circle] (1) at (1.5,2) {$1$}; @@ -30,7 +28,7 @@ Esimerkiksi verkossa \path[draw,thick,-] (3) -- node[font=\small,label=left:3] {} (6); \end{tikzpicture} \end{center} -yksi mahdollinen virittävä puu on seuraava: +one possible spanning tree is as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] \node[draw, circle] (1) at (1.5,2) {$1$}; @@ -47,13 +45,16 @@ yksi mahdollinen virittävä puu on seuraava: \end{tikzpicture} \end{center} -Virittävän puun paino on siihen kuuluvien kaarten painojen summa. -Esimerkiksi yllä olevan puun paino on $3+5+9+3+2=22$. +The weight of a spanning tree is the sum of the edge weights. +For example, the weight of the above spanning tree is +$3+5+9+3+2=22$. -\key{Pienin virittävä puu} -on virittävä puu, jonka paino on mahdollisimman pieni. -Yllä olevan verkon pienin virittävä puu -on painoltaan 20, ja sen voi muodostaa seuraavasti: +\index{minimum spanning tree} + +A \key{minimum spanning tree} +is a spanning tree whose weight is as small as possible. +The weight of a minimum spanning tree for the above graph +is 20, and a tree can be constructed as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -75,10 +76,12 @@ on painoltaan 20, ja sen voi muodostaa seuraavasti: \end{tikzpicture} \end{center} -Vastaavasti \key{suurin virittävä puu} -on virittävä puu, jonka paino on mahdollisimman suuri. -Yllä olevan verkon suurin virittävä puu on -painoltaan 32: +\index{maximum spanning tree} + +Correspondingly, a \key{maximum spanning tree} +is a spanning tree whose weight is as large as possible. +The weight of a maximum spanning tree for the +above graph is 32: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -99,53 +102,46 @@ painoltaan 32: \end{tikzpicture} \end{center} -Huomaa, että voi olla monta erilaista -tapaa muodostaa pienin tai -suurin virittävä puu, eli puut eivät ole yksikäsitteisiä. +Note that there may be several different ways +for constructing a minimum or maximum spanning tree, +so the trees are not unique. -Tässä luvussa tutustumme algoritmeihin, -jotka muodostavat verkon pienimmän tai suurimman -virittävän puun. -Osoittautuu, että virittävien puiden etsiminen -on siinä mielessä helppo ongelma, -että monenlaiset ahneet menetelmät tuottavat -optimaalisen ratkaisun. +This chapter discusses algorithms that construct +a minimum or maximum spanning tree for a graph. +It turns out that it is easy to find such spanning trees +because many greedy methods produce an optimal solution. -Käymme läpi kaksi algoritmia, jotka molemmat valitsevat -puuhun mukaan kaaria painojärjestyksessä. -Keskitymme pienimmän virittävän puun etsimiseen, -mutta samoilla algoritmeilla voi muodostaa myös suurimman virittävän -puun käsittelemällä kaaret käänteisessä järjestyksessä. +We will learn two algorithms that both construct the +tree by choosing edges ordered by weights. +We will focus on finding a minimum spanning tree, +but the same algorithms can be used for finding a +maximum spanning tree by processing the edges in reverse order. -\section{Kruskalin algoritmi} +\section{Kruskal's algorithm} -\index{Kruskalin algoritmi@Kruskalin algoritmi} +\index{Kruskal's algorithm} -\key{Kruskalin algoritmi} aloittaa pienimmän -virittävän -puun muodostamisen tilanteesta, -jossa puussa ei ole yhtään kaaria. -Sitten algoritmi alkaa lisätä -puuhun kaaria järjestyksessä -kevyimmästä raskaimpaan. -Kunkin kaaren kohdalla -algoritmi ottaa kaaren mukaan puuhun, -jos tämä ei aiheuta sykliä. +In \key{Kruskal's algorithm}, the initial spanning tree +is empty and doesn't contain any edges. +Then the algorithm adds edges to the tree +one at a time +in increasing order of their weights. +At each step, the algorithm includes an edge in the tree +if it doesn't create a cycle. -Kruskalin algoritmi pitää yllä -tietoa verkon komponenteista. -Aluksi jokainen solmu on omassa -komponentissaan, -ja komponentit yhdistyvät pikkuhiljaa -algoritmin aikana puuhun tulevista kaarista. -Lopulta kaikki solmut ovat samassa -komponentissa, jolloin pienin virittävä puu on valmis. +Kruskal's algorithm maintains the components +in the tree. +Initially, each node of the graph +is in its own component, +and each edge added to the tree joins two components. +Finally, all nodes will be in the same component, +and a minimum spanning tree has been found. -\subsubsection{Esimerkki} +\subsubsection{Example} \begin{samepage} -Tarkastellaan Kruskalin algoritmin toimintaa -seuraavassa verkossa: +Let's consider how Kruskal's algorithm processes the +following graph: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] \node[draw, circle] (1) at (1.5,2) {$1$}; @@ -167,13 +163,13 @@ seuraavassa verkossa: \end{samepage} \begin{samepage} -Algoritmin ensimmäinen vaihe on -järjestää verkon kaaret niiden painon mukaan. -Tuloksena on seuraava lista: +The first step in the algorithm is to sort the +edges in increasing order of their weights. +The result is the following list: \begin{tabular}{ll} \\ -kaari & paino \\ +edge & weight \\ \hline 5--6 & 2 \\ 1--2 & 3 \\ @@ -187,11 +183,11 @@ kaari & paino \\ \end{tabular} \end{samepage} -Tämän jälkeen algoritmi käy listan läpi -ja lisää kaaren puuhun, -jos se yhdistää kaksi erillistä komponenttia. +After this, the algorithm goes through the list +and adds an edge to the tree if it joins +two separate components. -Aluksi jokainen solmu on omassa komponentissaan: +Initially, each node is in its own component: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -211,9 +207,9 @@ Aluksi jokainen solmu on omassa komponentissaan: %\path[draw,thick,-] (3) -- node[font=\small,label=left:3] {} (6); \end{tikzpicture} \end{center} -Ensimmäinen virittävään puuhun lisättävä -kaari on 5--6, joka yhdistää -komponentit $\{5\}$ ja $\{6\}$ komponentiksi $\{5,6\}$: +The first edge to be added to the tree is +edge 5--6 that joins components +$\{5\}$ and $\{6\}$ into component $\{5,6\}$: \begin{center} \begin{tikzpicture} @@ -234,8 +230,7 @@ komponentit $\{5\}$ ja $\{6\}$ komponentiksi $\{5,6\}$: %\path[draw,thick,-] (3) -- node[font=\small,label=left:3] {} (6); \end{tikzpicture} \end{center} -Tämän jälkeen algoritmi lisää puuhun vastaavasti -kaaret 1--2, 3--6 ja 1--5: +After this, edges 1--2, 3--6 and 1--5 are added in a similar way: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -257,18 +252,18 @@ kaaret 1--2, 3--6 ja 1--5: \end{tikzpicture} \end{center} -Näiden lisäysten jälkeen monet -komponentit ovat yhdistyneet ja verkossa on kaksi -komponenttia: $\{1,2,3,5,6\}$ ja $\{4\}$. +After those steps, many components have been joined +and there are two components in the tree: +$\{1,2,3,5,6\}$ and $\{4\}$. -Seuraavaksi käsiteltävä kaari on 2--3, -mutta tämä kaari ei tule mukaan puuhun, -koska solmut 2 ja 3 ovat jo samassa komponentissa. -Vastaavasta syystä myöskään kaari 2--5 ei tule mukaan puuhun. +The next edge in the list is edge 2--3, +but it will not be included in the tree because +nodes 2 and 3 are already in the same component. +For the same reason, edge 2--5 will not be added +to the tree. \begin{samepage} -Lopuksi puuhun tulee kaari 4--6, -joka luo yhden komponentin: +Finally, edge 4--6 will be included in the tree: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -291,29 +286,26 @@ joka luo yhden komponentin: \end{center} \end{samepage} -Tämän lisäyksen jälkeen algoritmi päättyy, -koska kaikki solmut on kytketty toisiinsa kaarilla -ja verkko on yhtenäinen. -Tuloksena on verkon pienin virittävä puu, -jonka paino on $2+3+3+5+7=20$. +After this, the algorithm terminates because +there is a path between any two nodes and +the graph is connected. +The resulting graph is a minimum spanning tree +with weight $2+3+3+5+7=20$. -\subsubsection{Miksi algoritmi toimii?} +\subsubsection{Why does this work?} -On hyvä kysymys, miksi Kruskalin algoritmi -toimii aina eli miksi ahne strategia tuottaa -varmasti pienimmän mahdollisen virittävän puun. +It's a good question why Kruskal's algorithm works. +Why does the greedy strategy guarantee that we +will find a minimum spanning tree? -Voimme perustella algoritmin toimivuuden -tekemällä vastaoletuksen, että pienimmässä -virittävässä puussa ei olisi verkon keveintä kaarta. -Oletetaan esimerkiksi, että äskeisen verkon -pienimmässä virittävässä puussa ei olisi -2:n painoista kaarta solmujen 5 ja 6 välillä. -Emme tiedä tarkalleen, millainen uusi pienin -virittävä puu olisi, mutta siinä täytyy olla -kuitenkin joukko kaaria. -Oletetaan, että virittävä puu olisi -vaikkapa seuraavanlainen: +Let's see what happens if the lightest edge in +the graph is not included in the minimum spanning tree. +For example, assume that a minimum spanning tree +for the above graph would not contain the edge +between nodes 5 and 6 with weight 2. +We don't know exactly how the new minimum spanning tree +would look like, but still it has to contain some edges. +Assume that the tree would be as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -332,12 +324,12 @@ vaikkapa seuraavanlainen: \end{tikzpicture} \end{center} -Ei ole kuitenkaan mahdollista, -että yllä oleva virittävä puu olisi todellisuudessa -verkon pienin virittävä puu. -Tämä johtuu siitä, että voimme poistaa siitä -jonkin kaaren ja korvata sen 2:n painoisella kaarella. -Tuloksena on virittävä puu, jonka paino on \emph{pienempi}: +However, it's not possible that the above tree +would be a real minimum spanning tree for the graph. +The reason for this is that we can remove an edge +from it and replace it with the edge with weight 2. +This produces a spanning tree whose weight is +\emph{smaller}: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.9] @@ -356,55 +348,53 @@ Tuloksena on virittävä puu, jonka paino on \emph{pienempi}: \end{tikzpicture} \end{center} -Niinpä on aina optimaalinen ratkaisu valita pienimpään -virittävään puuhun verkon kevein kaari. -Vastaavalla tavalla voimme perustella -seuraavaksi keveimmän kaaren valinnan, jne. -Niinpä Kruskalin algoritmi toimii oikein ja -tuottaa aina pienimmän virittävän puun. +For this reason, it is always optimal to include the lightest edge +in the minimum spanning tree. +Using a similar argument, we can show that we +can also add the second lightest edge to the tree, and so on. +Thus, Kruskal's algorithm works correctly and +always produces a minimum spanning tree. -\subsubsection{Toteutus} +\subsubsection{Implementation} -Kruskalin algoritmi on mukavinta toteuttaa -kaarilistan avulla. Algoritmin ensimmäinen vaihe -on järjestää kaaret painojärjestykseen, -missä kuluu aikaa $O(m \log m)$. -Tämän jälkeen seuraa algoritmin toinen vaihe, -jossa listalta valitaan kaaret mukaan puuhun. +Kruskal's algorithm can be conveniently +implemented using an edge list. +The first phase of the algorithm sorts the +edges in $O(m \log m)$ time. +After this, the second phase of the algorithm +builds the minimum spanning tree. -Algoritmin toinen vaihe rakentuu seuraavanlaisen silmukan ympärille: +The second phase of the algorithm looks as follows: \begin{lstlisting} for (...) { - if (!sama(a,b)) liita(a,b); + if (!same(a,b)) union(a,b); } \end{lstlisting} -Silmukka käy läpi kaikki listan kaaret -niin, että muuttujat $a$ ja $b$ ovat kulloinkin kaaren -päissä olevat solmut. -Koodi käyttää kahta funktiota: -funktio \texttt{sama} tutkii, -ovatko solmut samassa komponentissa, -ja funktio \texttt{liita} -yhdistää kaksi komponenttia toisiinsa. +The loop goes through the edges in the list +and always processes an edge $a$--$b$ +where $a$ and $b$ are two nodes. +The code uses two functions: +the function \texttt{same} determines +if the nodes are in the same component, +and the function \texttt{unite} +joins two components into a single component. -Ongelmana on, kuinka toteuttaa tehokkaasti -funktiot \texttt{sama} ja \texttt{liita}. -Yksi mahdollisuus on pitää yllä verkkoa tavallisesti -ja toteuttaa funktio \texttt{sama} verkon läpikäyntinä. -Tällöin kuitenkin funktion \texttt{sama} -suoritus veisi aikaa $O(n+m)$, -mikä on hidasta, koska funktiota kutsutaan -jokaisen kaaren kohdalla. +The problem is how to efficiently implement +the functions \texttt{same} and \texttt{unite}. +One possibility is to maintain the graph +in a usual way and implement the function +\texttt{same} as graph traversal. +However, using this technique, +the running time of the function \texttt{same} would be $O(n+m)$, +and this would be slow because the function will be +called for each edge in the graph. -Seuraavaksi esiteltävä union-find-rakenne -ratkaisee asian. -Se toteuttaa molemmat funktiot -ajassa $O(\log n)$, -jolloin Kruskalin algoritmin -aikavaativuus on vain $O(m \log n)$ -kaarilistan järjestämisen jälkeen. +We will solve the problem using a union-find structure +that implements both the functions in $O(\log n)$ time. +Thus, the time complexity of Kruskal's algorithm +will be only $O(m \log n)$ after sorting the edge list. \section{Union-find-rakenne}