《算法竞赛·快冲300题》每日一题：“简化农场”

《算法竞赛·快冲300题》将于2024年出版，是《算法竞赛》的辅助练习册。
所有题目放在自建的OJ New Online Judge。
用C/C++、Java、Python三种语言给出代码，以中低档题为主，适合入门、进阶。

“ 简化农场” ，链接： http://oj.ecustacm.cn/problem.php?id=1879

题目描述

【题目描述】 约翰的农场可以看做一个图，农田代表图中顶点，田间小路代表图中的边，每条边有一定的长度。
   约翰发现自己的农场中最多有三条小路有着相同的长度。
   约翰想删除一些小路使得农场成为一棵树，使得两块农田间只有一条路径。
   约翰想把农场设计成最小生成树，也就是农场道路的总长度最短。
   请帮助约翰找出最小生成树的总长度，同时请计算出总共有多少种最小生成树。
【输入格式】 输入第一行为两个正整数 N 和 M ，表示点数和边数(1 <= N <= 40,000; 1 <= M <= 100,000)。
   接下来 M 行，每行三个整数 ai, bi, ci，表示点 ai 和 bi 之间存在长度为 ci 的无向边。(1 <= ai, bi <= N; 1 <= ci <= 1,000,000)
【输出格式】 输出一行包含两个整数，分别表示最小生成树的长度和最小生成树的数目。
数目对 1,000,000,007 求余.
【输入样例】

4 5
1 2 1
3 4 1
1 3 2
1 4 2
2 3 2

【输出样例】

4 3

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题解

   有两种最小生成树（MST）算法：kruskal、prim。Kruskal的思路是对边贪心，“最短的边一定在MST上”；prim的思路是对点贪心，“最近的邻居点一定在MST上”。
   本题描述中比较特殊的地方是：（1）最多有三条小路（边）有相同长度；（2）计算总共有多少种最小生成树。着重点在边上，所以用kruskal算法。
   kruskal算法执行步骤是：（1）对边排序；（2）从最短的边开始，从小到大依次把边加入到MST中；（3）加边的过程中用并查集判断是否产生圈，如果形成了圈就丢弃这个边；（4）所有边处理完后结束，或者加边的数量等于n-1时结束。
   如果所有的边长都不同，那么只有一种最小生成树。题目指出“最多有三条边的长度相同”，从样例可知，有等长的两条边，也有等长的三条边。对边排序时，这些相等的边会挨在一起。
   处理等长边，设cnt是合法（所谓合法，是指这个边加入到MST，不会产生圈）的边的数量，num是这几个等长边有几个能同时加入到MST。sum是最小生成树的数目。
   （1）有两条等长边。
   若cnt=1，只有一条边是合法的，也就是说这条边别无选择，那么sum不变。
   若cnt=2，有2条边合法，继续讨论：
   1）num=1，即这两条等长边只有一条能加入到MST中。那么sum = sum*cnt，即sum=sum*2。以下图为例，s1和s2是两棵已经加入到MST的子树，它们内部没有圈。现在加两条等长边(x1,y1)、(x2,y2)，它们单独加入MST都是合法的，但是同时加入就会形成圈。

   2）num=2，即这两条等长边都应该加入到MST中。那么sum不变，即sum=sum*1。以下图为例。

   （2）有三个等长边。
   若cnt=1，只有一条边合法，sum不变。
   若cnt=2，有两条边合法，和（1）有两条等长边，且cnt=2的情况一样。
   若cnt=3，有三条边合法，那么：
   1）num = 1，只有一条边能加入到MST中，sum = sum*cnt=sum*3。以下图为例，三条边任选一条，有3种情况。

   2）num = 2，有两条边能加入到MST中，且其中一条边必须加，sum = sum*2。以下图为例，三条边任选两条，有2种情况。

   3）num = 2，有两条边能加入到MST中，且是任意两条，sum = sum*3。以下图为例，三条边任选两条，有3种情况。

   3）num = 3，三条边都应该加入到MST中，sum不变。

【重点】 kruskal 。

C++代码

#include
using namespace std;
#define int long long
const int N = 1e6+10;
const int mod = 1e9+7;
struct Node{int x,y,val;}e[N<<1];
bool cmp(Node a,Node b){return a.val<b.val;}//按边权排序
int n,m;
int s[N];          //并查集
int ans=0,sum=1;   //ans: MST的总长度， sum：最小生成树的数目
int find_set(int x){                         //查询并查集，返回x的根
    if(x != s[x]) s[x] = find_set(s[x]);     //路径压缩
    return s[x];
}
void kruscal(){
	for(int i=1;i<=n;i++) s[i] = i;  //并查集初始化
	sort(e+1,e+m+1,cmp);             //边：升序排序
	for(int i=1;i<=m;){              //遍历所有边，每次处理其中的等长边
		int cnt = 0;                 //这次的等长边中，有几个可以加入MST
		set<pair<int,int> >st;       //set用于存储并去重
		int j;                       //第i~j个边等长
		for(j=i;j<=i+2 && e[i].val==e[j].val;j++){ //枚举等长边，最多3个相同。更新j
			int s1 = find_set(e[j].x);   //边的一个端点属于哪个集？
			int s2 = find_set(e[j].y);   //边的另一个端点属于哪个集？
			if(s1 > s2)  swap(s1,s2);
			if(s1 != s2){                //两个集不等，这个边可以加入到MST中
				cnt ++;                  //cnt: 允许加入MST的边的数量
				st.insert(make_pair(s1,s2));   //这个边的两端点所属的集存到st中
			}
		}                                //第i~j个边是等长的
		int num = 0;
		for(;i<j;i++){                   //开始时第i~j个边是等长的。i=j时退出
			int s1 = find_set(e[i].x);
			int s2 = find_set(e[i].y);
			if(s1 != s2){                //不属于一个集，可以加入到树里
				s[s2] = s1;              //并查集合并
				num++;                   //这几个等长边有num个可以同时加入树
			}
		}
		ans += e[i-1].val*num;    //这几个等长边最后有num个可以加入到MST，计算MST总长
		if(num == 1)  sum = sum*cnt%mod;   //只有一条边能加入树，直接乘以cnt
		if(cnt == 3 && num==2 && st.size() == 2) sum = 2*sum%mod;
		if(cnt == 3 && num==2 && st.size() == 3) sum = 3*sum%mod;
		 //其他情况方案数都不变
	}
}
signed main(){
	scanf("%lld%lld",&n,&m);  //读点，边
	for(int i=1;i<=m;i++)     //存边，用最简单的“边集数组”存边
		scanf("%lld%lld%lld",&e[i].x,&e[i].y,&e[i].val);
	kruscal();                //最小生成树
	printf("%lld %lld\n",ans,sum);
}

Java代码

Python代码