等价关系与等价类
从数学上看,等价类是一个对象(或成员)的集合,在此集合中的所有对象应满足等价关系。若用符号"≡"表示集合上的等价关系,那么对于该集合中的任意对象x,y, z,下列性质成立:
1、自反性:x ≡ x
2、对称性:若 x ≡ y 则 y ≡ x
3、传递性:若 x ≡ y 且 y ≡ z 则 x ≡ z
因此,等价关系是集合上的一个自反、对称、传递的关系。
通过金属线连接起来的电器的连通性,就是一种等价关系。这种关系显然具有自反性,因为任何一个器件都是与自身连通的;如果a 电连通b,那么b一定也电连通a,因此这种关系具有对称性; 若a连通到b,并且b连通到c,那么a连通到c 。
并查集
并查集的一般用途就是用来维护某种具有自反、对称、传递性质的关系的等价类。并查集一般以树形结构存储,多棵树构成一个森林,每棵树构成一个集合,树中的每个节点就是该集合的元素,找一个代表元素作为该树(集合)的祖先。
并查集支持以下三种操作:
1、Make_Set(x) 把每一个元素初始化为一个集合
初始化后每一个元素的父亲节点是它本身,每一个元素的祖先节点也是它本身。
2、Find_Set(x) 查找一个元素所在的集合
查找一个元素所在的集合,只要找到这个元素所在集合的祖先即可。判断两个元素是否属于同一集合,只要看他们所在集合的祖先是否相同即可。
3、Union(x,y) 合并x,y所在的两个集合
合并两个不相交集合操作很简单:首先设置一个数组Father[x],表示x的"父亲"的编号。那么,合并两个不相交集合的方法就是,找到其中一个集合的祖先,将另外一个集合的祖先指向它。
并查集的优化
1、Find_Set(x)时 路径压缩
寻找祖先时我们一般采用递归查找,但是当元素很多亦或是整棵树变为一条链时,每次Find_Set(x)都是O(n)的复杂度,有没有办法减小这个复杂度呢?
答案是肯定的,这就是路径压缩,即当我们经过"递推"找到祖先节点后,"回归"的时候顺便将它的子孙节点都直接指向祖先,这样以后再次Find_Set(x)时复杂度就变成O(1)了。
2、Union(x,y)时 按秩合并
即合并的时候将元素少的集合合并到元素多的集合中,这样合并之后树的高度会相对较小。
主要代码实现