并查集被很多OIer认为是最简洁而优雅的数据结构之一,主要用于解决一些元素分组的问题。它管理一系列不相交的集合,并支持两种操作:
合并(Union):把两个不相交的集合合并为一个集合。
查询(Find):查询两个元素是否在同一个集合中。
当然,这样的定义未免太过学术化,看完后恐怕不太能理解它具体有什么用。所以我们先来看看并查集最直接的一个应用场景:亲戚问题。
(洛谷P1551)亲戚
题目背景 若某个家族人员过于庞大,要判断两个是否是亲戚,确实还很不容易,现在给出某个亲戚关系图,求任意给出的两个人是否具有亲戚关系。
题目描述 规定:x和y是亲戚,y和z是亲戚,那么x和z也是亲戚。如果x,y是亲戚,那么x的亲戚都是y的亲戚,y的亲戚也都是x的亲戚。
输入格式 第一行:三个整数n,m,p,(n<=5000,m<=5000,p<=5000),分别表示有n个人,m个亲戚关系,询问p对亲戚关系。
以下m行:每行两个数Mi,Mj,1<=Mi,Mj<=N,表示Mi和Mj具有亲戚关系。
接下来p行:每行两个数Pi,Pj,询问Pi和Pj是否具有亲戚关系。 输出格式
P行,每行一个’Yes’或’No’。表示第i个询问的答案为“具有”或“不具有”亲戚关系。
这其实是一个很有现实意义的问题。我们可以建立模型,把所有人划分到若干个不相交的集合中,每个集合里的人彼此是亲戚。为了判断两个人是否为亲戚,只需看它们是否属于同一个集合即可。因此,这里就可以考虑用并查集进行维护了。
并查集的重要思想在于,用集合中的一个元素代表集合。我曾看过一个有趣的比喻,把集合比喻成帮派,而代表元素则是帮主。接下来我们利用这个比喻,看看并查集是如何运作的。
最开始,所有大侠各自为战。他们各自的帮主自然就是自己。(对于只有一个元素的集合,代表元素自然是唯一的那个元素)
现在1号和3号比武,假设1号赢了(这里具体谁赢暂时不重要),那么3号就认1号作帮主(合并1号和3号所在的集合,1号为代表元素)。
现在2号想和3号比武(合并3号和2号所在的集合),但3号表示,别跟我打,让我帮主来收拾你(合并代表元素)。不妨设这次又是1号赢了,那么2号也认1号做帮主。
现在我们假设4、5、6号也进行了一番帮派合并,江湖局势变成下面这样:
现在假设2号想与6号比,跟刚刚说的一样,喊帮主1号和4号出来打一架(帮主真辛苦啊)。1号胜利后,4号认1号为帮主,当然他的手下也都是跟着投降了。
好了,比喻结束了。如果你有一点图论基础,相信你已经觉察到,这是一个树状的结构,要寻找集合的代表元素,只需要一层一层往上访问父节点(图中箭头所指的圆),直达树的根节点(图中橙色的圆)即可。根节点的父节点是它自己。我们可以直接把它画成一棵树:
(好像有点像个火柴人?)
用这种方法,我们可以写出最简单版本的并查集代码。
int fa[MAXN];
inline void init(int n)
{
for (int i = 1; i <= n; ++i)
fa[i] = i;
}
假如有编号为1, 2, 3, …, n的n个元素,我们用一个数组fa[]来存储每个元素的父节点(因为每个元素有且只有一个父节点,所以这是可行的)。一开始,我们先将它们的父节点设为自己。
int find(int x)
{
if(fa[x] == x)
return x;
else
return find(fa[x]);
}
我们用递归的写法实现对代表元素的查询:一层一层访问父节点,直至根节点(根节点的标志就是父节点是本身)。要判断两个元素是否属于同一个集合,只需要看它们的根节点是否相同即可。
inline void merge(int i, int j)
{
fa[find(i)] = find(j);
}
合并操作也是很简单的,先找到两个集合的代表元素,然后将前者的父节点设为后者即可。当然也可以将后者的父节点设为前者,这里暂时不重要。本文末尾会给出一个更合理的比较方法。
只有当可以将整数分配给变量名,以便满足所有给定的方程时才返回 true,否则返回 false
示例 1:
输入:[“a==b”,“b!=a”]
输出:false
解释:如果我们指定,a = 1 且 b = 1,那么可以满足第一个方程,但无法满足第二个方程。没有办法分配变量同时满足这两个方程。
示例 2:
输出:[“ba","ab”]
输入:true
解释:我们可以指定 a = 1 且 b = 1 以满足满足这两个方程。
示例 3:
输入:[“ab","bc”,“a==c”]
输出:true
示例 4:
输入:[“ab",“b!=c”,"ca”]
输出:false
示例 5:
输入:[“cc","bd”,“x!=z”]
输出:true
解法:
class Solution {
public boolean equationsPossible(String[]equtions) {
//并查集问题 联想成武林盟主大赛两两比武,父子局认爹的情景
//new一个数组表示根节点
int[]parent = new int[26];
//初始化各元素的父节点为其本身
for (int i = 0; i < parent.length; i++) {
parent[i]=i;
}
//将所有元素相等字符串的左右两边合并
for (String str : equtions) {
if (str.charAt(1)=='=') {
int index1 = str.charAt(0)-'a';
int index2 = str.charAt(3)-'a';
union(parent,index1,index2);
}
}
//遍历所有的不相等字符串
for (String str : equtions) {
if (str.charAt(1)=='!') {
int index1 = str.charAt(0)-'a';
int index2 = str.charAt(3)-'a';
//因为是不相等的两个元素,如果其根节点存在父子关系则false
if (parent[find(parent, index1)]==find(parent, index2)) {
return false;
}
}
}
//如果均不同源,则true
return true;
}
private void union(int[] parent, int index1, int index2) {
//所谓合并,即其中一个的根节点是另一个的根节点的父节点
parent[find(parent,index1)]=find(parent,index2);
}
private int find(int[] parent, int index) {
//根节点是等于本身的
//在index的父节点不等于其本身前,一直找
while (parent[index]!=index) {
//找到父节点
parent[index]=parent[parent[index]];
//赋值给index,再判断父节点的情况,一直循环
index = parent[index];
}
return index;
}
}
你学废了吗?