Критерий Тарьяна минимальности остовного дерева

2019-05-17T15:23:43Z

Deevroman: /* Критерий Тарьяна */ Орфография

== Критерий Тарьяна ==
{{Теорема
|about=
критерий Тарьяна минимальности остовного дерева
|statement=
Остовное дерево минимально тогда и только тогда, когда для любого ребра, не принадлежащего остову, цикл, образуемый этим ребром при добавлении к остову, не содержит рёбер тяжелее этого ребра.
|proof=
<tex> \Rightarrow </tex>

Докажем, что остовное дерево, состоящее из ребер наименьшего веса на циклах {{---}} минимально.

Предположим противное: пусть остовное дерево <tex> A </tex> состоит из всех минимальных ребер на циклах, тогда оно не минимально.

Если <tex> A </tex> не минимально, то его можно улучшить, значит есть ребро, которое имеет наименьший вес на цикле и не принадлежит дереву. Следовательно, дерево построено не на минимальных ребрах в циклах {{---}} противоречие.

<tex> \Leftarrow </tex>

Построим минимальное остовное дерево <tex> A </tex>, с помощью общего алгоритма построения MST. Докажем, что оно имеет минимальные ребра на каждом цикле.

'''function''' Generic MST(<tex> G </tex>):
<tex> A = \{ \} </tex>
'''while''' <tex> A </tex> не является остовом
'''do''' найти безопасное ребро <tex> ( u, v ) \in E </tex> для <tex> A </tex> <font color = darkgreen>// нужное ребро находится с помощью [[Лемма о безопасном ребре|леммы о безопасном ребре]] </font color = darkgreen>
<tex> A = A \cup \{( u, v )\} </tex>
'''return''' <tex> A </tex>

Заметим, что дерево <tex> A </tex> состоит полностью из безопасных ребер, так как на каждом шаге добавлялось безопасное ребро.

Теперь, рассмотрим какой-нибудь разрез <tex> (S, T) </tex> уже построенного дерева <tex> A </tex> и пересекающее ребро <tex> (u, v) </tex>, причем <tex> u \in S </tex>, а <tex> v \in T </tex>. Найдем путь в изначальном графе <tex> G </tex>, соединяющий вершины <tex> u </tex> и <tex> v </tex>. Так как они находятся в разных компонентах связности, то какое-нибудь ребро <tex> (a, b) \notin A</tex> тоже будет пересекать разрез <tex> (S, T) </tex>. Очевидно, что <tex> w(u, v) \leqslant w(a, b) </tex>, так как первое {{---}} безопасное ребро.

Следовательно, любое ребро не принадлежащее <tex> A</tex> не легче ребер принадлежащих <tex> A </tex> на этом цикле.

}}

== Уникальность остовного дерева ==
{{Задача
|definition=Поиск минимального остовного дерева и проверка его на уникальность.
}}
<h4>Алгоритм решения</h4>
Построим минимальное остовное дерево используя [[алгоритм Краскала]].
Рассмотрим рёбра вне остова в любом порядке. Очередное обозначим <tex>e = (u, v)</tex>. Рассмотрим максимальное ребро на пути <tex>u</tex> и <tex>v</tex> внутри остова:
*Если его вес совпадает с весом ребра, то при добавлении ребра в остов, мы получим остов с циклом на котором несколько рёбер имеют одинаковый вес, значит мы можем удалить любое из них и остовное дерево будет всё ещё минимальным, это нарушает уникальность дерева. На этом алгоритм завершается и по критерию Тарьяна мы можем сказать, что в графе можно построить несколько остовных деревьев.
*Если его вес больше ребра, то заменив ребро мы получим остов с большим весом, этот случай не влияет на уникальность.
*Его вес не может быть меньше ребра из остова, иначе мы смогли бы построить минимальное остовное дерево с меньшим весом.
После рассмотрения всех рёбер, если мы не нашли ребро вне остова, при добавлении которого создаётся цикл с максимальным ребром таким же как и на пути <tex>u</tex> и <tex>v</tex>, то в графе нету другого остовного дерева и наше дерево уникально.
Искать максимальное ребро на пути <tex>u</tex> и <tex>v</tex> в дереве мы можем при помощи [[Heavy-light декомпозиция|heavy-light декомпозиции]].
<h4>Асимптотика</h4>
Построение минимального остовного дерева работает за <tex>O(N \log N)</tex>, нахождение максимального ребра за <tex>O(\log N)</tex>, максимальное количество рёбер вне остова не больше <tex>N</tex>, каждое ребро проверяется за <tex>O(\log N)</tex>. Построение heavy-light декомпозиции работает за <tex>O(N)</tex>, остов мы построим один раз, heavy-light декомпозицию тоже один раз, каждое ребро мы не больше одного раза проверим на замену, сложность алгоритма <tex>O(N \log N)</tex>.

== См.также ==
* [[Остовные деревья: определения, лемма о безопасном ребре]]
* [[Минимально узкое остовное дерево]]
* [[Алгоритм Краскала]]
* [[Алгоритм Борувки]]
* [[Алгоритм Прима]]

==Источники информации==
* Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. {{---}} Алгоритмы. Построение и анализ.

[[Категория: Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория: Остовные деревья ]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Критерий Тарьяна минимальности остовного дерева