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38
39
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在使用「快速查询」思路实现并查集时,我们可以使用一个「数组结构」来表示集合中的元素。数组元素和集合元素是一一对应的,我们可以将数组的索引值作为每个元素的集合编号,称为 $id$。然后可以对数组进行以下操作来实现并查集:
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- - ** 当初始化时** :将每个元素的集合编号初始化为数组下标索引。则所有元素的 $id$ 都是唯一的,代表着每个元素单独属于一个集合。
41
+ - ** 当初始化时** :将数组下标索引值作为每个元素的集合编号。所有元素的 $id$ 都是唯一的,代表着每个元素单独属于一个集合。
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- ** 合并操作时** :需要将其中一个集合中的所有元素 $id$ 更改为另一个集合中的 $id$,这样能够保证在合并后一个集合中所有元素的 $id$ 均相同。
43
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- ** 查找操作时** :如果两个元素的 $id$ 一样,则说明它们属于同一个集合;如果两个元素的 $id$ 不一样,则说明它们不属于同一个集合。
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- 举个例子来说明一下,我们使用数组来表示一系列集合元素 $\left\{ 0 \right\} , \left\{ 1 \right\} , \left\{ 2 \right\} , \left\{ 3 \right\} , \left\{ 4 \right\} , \left\{ 5 \right\} , \left\{ 6 \right\} , \left\{ 7 \right\} $,初始化时如下图所示。从下图中可以看出:元素的集合编号就是数组的索引值,代表着每个元素属于一个集合。
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+ 举个例子来说明一下,我们使用数组来表示一系列集合元素 $\left\{ 0 \right\} , \left\{ 1 \right\} , \left\{ 2 \right\} , \left\{ 3 \right\} , \left\{ 4 \right\} , \left\{ 5 \right\} , \left\{ 6 \right\} , \left\{ 7 \right\} $,初始化时如下图所示。
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- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220505145234 .png )
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+ ![ 基于数组实现:初始化操作 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513150949 .png )
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- 当我们进行一系列的合并操作后,比如合并后变为 $\left \{ 0 \right \} , \left \{ 1, 2, 3 \right \} , \left \{ 4 \right \} , \left \{ 5, 6\right \} , \left \{ 7 \right \} $,合并操作的结果如下图所示。从图中可以看出,在进行一系列合并操作后,下标为 $1$、$2$、$3$ 的元素集合编号是一致的,说明这 $3$ 个 元素同属于一个集合。同理下标为 $5$ 和 $6$ 的元素则同属于另一个集合 。
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+ 从上图中可以看出:数组的每个下标索引值对应一个元素的集合编号,代表着每个元素单独属于一个集合 。
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- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220505145302.png )
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+ 当我们进行一系列的合并操作后,比如合并后变为 $\left\{ 0 \right\} , \left\{ 1, 2, 3 \right\} , \left\{ 4 \right\} , \left\{ 5, 6\right\} , \left\{ 7 \right\} $,合并操作的结果如下图所示。
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+
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+ ![ 基于数组实现:合并操作] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513151310.png )
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+
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+ 从上图中可以看出,在进行一系列合并操作后,下标为 $1$、$2$、$3$ 的元素集合编号是一致的,说明这 $3$ 个元素同属于一个集合。同理下标为 $5$ 和 $6$ 的元素则同属于另一个集合。
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在快速查询的实现思路中,单次查询操作的时间复杂度是 $O(1)$,而单次合并操作的时间复杂度为 $O(n)$(每次合并操作需要遍历数组)。两者的时间复杂度相差得比较大,完全牺牲了合并操作的性能。因此,这种并查集的实现思路并不常用。
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@@ -92,17 +96,41 @@ class UnionFind:
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总结一下,我们可以对数组 $fa$ 进行以下操作来实现并查集:
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- - ** 当初始化时** :将每个元素的集合编号初始化为数组 $fa$ 的下标索引。所有元素的根节点的集合编号不一样 ,代表着每个元素单独属于一个集合。
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+ - ** 当初始化时** :将数组 $fa$ 的下标索引作为每个元素的集合编号。所有元素的根节点的集合编号都不一样 ,代表着每个元素单独属于一个集合。
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- ** 合并操作时** :需要将两个集合的树根节点相连接。即令其中一个集合的树根节点指向另一个集合的树根节点(` fa[root1] = root2 ` ),这样合并后当前集合中的所有元素的树根节点均为同一个。
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- ** 查找操作时** :分别从两个元素开始,通过数组 $fa$ 存储的值,不断递归访问元素的父节点,直到到达树根节点。如果两个元素的树根节点一样,则说明它们属于同一个集合;如果两个元素的树根节点不一样,则说明它们不属于同一个集合。
98
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- 举个例子来说明一下,我们使用数组来表示一系列集合元素 $\left\{ 0\right\} , \left\{ 1 \right\} , \left\{ 2 \right\} , \left\{ 3 \right\} , \left\{ 4 \right\} , \left\{ 5 \right\} , \left\{ 6 \right\} , \left\{ 7 \right\} $,初始化时如下图所示。从下图中可以看出:元素的集合编号就是数组 $fa$ 的索引值,代表着每个元素属于一个集合。
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+ 举个例子来说明一下,我们使用数组来表示一系列集合元素 $\left\{ 0\right\} , \left\{ 1 \right\} , \left\{ 2 \right\} , \left\{ 3 \right\} , \left\{ 4 \right\} , \left\{ 5 \right\} , \left\{ 6 \right\} , \left\{ 7 \right\} $,初始化时如下图所示。
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+
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+ ![ 基于森林实现:初始化操作] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513151548.png )
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+
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+ 从上图中可以看出:$fa$ 数组的每个下标索引值对应一个元素的集合编号,代表着每个元素属于一个集合。
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+
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+ 当我们进行一系列的合并操作后,比如 ` union(4, 5) ` 、` union(6, 7) ` 、` union(4, 7) ` 操作后变为 $\left\{ 0 \right\} , \left\{ 1 \right\} , \left\{ 2 \right\} , \left\{ 3 \right\} , \left\{ 4, 5, 6, 7 \right\} $,合并操作的步骤及结果如下图所示。
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+
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+ ::: tabs#union
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+
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+ @tab <1>
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+
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+ - 合并 $(4, 5)$:令 $4$ 的根节点指向 $5$,即将 $fa[ 4] $ 更改为 $5$。
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+
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+ ![ 基于森林实现:合并操作 1] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154015.png )
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+
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+ @tab <2>
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+
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+ - 合并 $(6, 7)$:令 $6$ 的根节点指向 $7$,即将 $fa[ 6] $ 更改为 $7$。
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+
123
+ ![ 基于森林实现:合并操作 2] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154022.png )
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+
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+ @tab <3>
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+
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+ - 合并 $(4, 7)$:令 $4$ 的的根节点指向 $7$,即将 $fa[ fa[ 4]] $(也就是 $fa[ 5] $)更改为 $7$。
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- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220507112934 .png )
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+ ![ 基于森林实现:合并操作 3 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154030 .png )
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- 当我们进行一系列的合并操作后,比如 ` union(4, 5) ` 、 ` union(6, 7) ` 、 ` union(4, 7) ` 操作后变为 $\left \{ 0 \right \} , \left \{ 1 \right \} , \left \{ 2 \right \} , \left \{ 3 \right \} , \left \{ 4, 5, 6, 7 \right \} $,合并操作的步骤及结果如下图所示。从图中可以看出,在进行一系列合并操作后, ` fa[4] == fa[5] == fa[6] == fa[fa[7]] ` ,即 $4$、$5$、$6$、$7$ 的元素根节点编号都是 $4$,说明这 $4$ 个 元素同属于一个集合。
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+ :::
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- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220507142647.png )
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+ 从上图中可以看出,在进行一系列合并操作后, ` fa[fa[4]] == fa[5] == fa[6] == f[7] ` ,即 $4$、$5$、$6$、$7$ 的元素根节点编号都是 $4$,说明这 $4$ 个元素同属于一个集合。
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- 使用「快速合并」思路实现并查集代码如下所示:
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@@ -132,7 +160,7 @@ class UnionFind:
132
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在集合很大或者树很不平衡时,使用上述「快速合并」思路实现并查集的代码效率很差,最坏情况下,树会退化成一条链,单次查询的时间复杂度高达 $O(n)$。并查集的最坏情况如下图所示。
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- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220507172300 .png )
163
+ ![ 并查集最坏情况 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154732 .png )
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为了避免出现最坏情况,一个常见的优化方式是「路径压缩」。
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166
@@ -146,7 +174,7 @@ class UnionFind:
146
174
147
175
下面是一个「隔代压缩」的例子。
148
176
149
- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220509113954 .png )
177
+ ![ 路径压缩:隔代压缩 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154745 .png )
150
178
151
179
- 隔代压缩的查找代码如下:
152
180
@@ -164,7 +192,7 @@ def find(self, x): # 查找元素根节点的集合
164
192
165
193
相比较于「隔代压缩」,「完全压缩」压缩的更加彻底。下面是一个「完全压缩」的例子。
166
194
167
- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220507174723 .png )
195
+ ![ 路径压缩:完全压缩 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154759 .png )
168
196
169
197
- 完全压缩的查找代码如下:
170
198
@@ -195,7 +223,7 @@ def find(self, x): # 查找元素根节点的集合
195
223
196
224
下面是一个「按深度合并」的例子。
197
225
198
- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220509094655 .png )
226
+ ![ 按秩合并:按深度合并 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154814 .png )
199
227
200
228
- 按深度合并的实现代码如下:
201
229
@@ -240,7 +268,7 @@ class UnionFind:
240
268
241
269
下面是一个「按大小合并」的例子。
242
270
243
- ![ ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20220509094634 .png )
271
+ ![ 按秩合并:按大小合并 ] ( https://qcdn.itcharge.cn/images/20240513154835 .png )
244
272
245
273
- 按大小合并的实现代码如下:
246
274
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