} // TSP_Kruskal
private static Graph GetTree(Graph g)
{
Graph helper = g.IsolatedVerticesGraph(true, g.VerticesCount);
var queue = new EdgesMinPriorityQueue();
for (int i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
foreach (var e in g.OutEdges(i))
{
helper.AddEdge(e);
queue.Put(e);
}
}
Graph tree = g.IsolatedVerticesGraph(true, g.VerticesCount);
UnionFind uf = new UnionFind(g.VerticesCount);
while (tree.EdgesCount != tree.VerticesCount - 1)
{
if (queue.Empty)
{
return(null);
}
Edge e = queue.Get();
if (uf.Find(e.To) != uf.Find(e.From) &&
tree.OutDegree(e.From) < 1 &&
tree.InDegree(e.To) < 1)
{
tree.AddEdge(e);
uf.Union(e.From, e.To);
}
}
return(tree);
}
/// <summary>
/// Wyznacza minimalne drzewo rozpinające grafu algorytmem Kruskala
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <returns>
/// Krotka (weight, mst) składająca się z wagi minimalnego drzewa rozpinającego i grafu opisującego to drzewo
/// </returns>
/// <exception cref="ArgumentException"></exception>
/// <remarks>
/// Jeśli graf g jest typu <see cref="AdjacencyMatrixGraph"/> to wyznaczone drzewo rozpinające mst jest typu
/// <see cref="AdjacencyListsGraph{AVLAdjacencyList}"/>, w przeciwnym
/// przypadku drzewo rozpinające mst jest takiego samego typu jak graf g.<para/>
/// Dla grafu skierowanego metoda zgłasza wyjątek <see cref="ArgumentException"/>.<para/>
/// Wyznaczone drzewo reprezentowane jest jako graf bez cykli, to umożliwia jednolitą obsługę sytuacji
/// gdy analizowany graf jest niespójny, wyznaczany jest wówczas las rozpinający.
/// </remarks>
/// <seealso cref="MSTGraphExtender"/>
/// <seealso cref="ASD.Graphs"/>
public static (double weight, Graph mst) Kruskal(this Graph g)
{
if (g.Directed)
{
throw new ArgumentException("Directed graphs are not allowed");
}
var unionFind = new UnionFind(g.VerticesCount);
var edgesMinPriorityQueue = new EdgesMinPriorityQueue();
var tree = g is AdjacencyMatrixGraph ? new AdjacencyListsGraph <AVLAdjacencyList>(false, g.VerticesCount) : g.IsolatedVerticesGraph();
var weight = 0.0;
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
foreach (var edge in g.OutEdges(i))
{
if (edge.From < edge.To)
{
edgesMinPriorityQueue.Put(edge);
}
}
}
while (tree.EdgesCount < g.VerticesCount - 1 && !edgesMinPriorityQueue.Empty)
{
var edge = edgesMinPriorityQueue.Get();
if (!unionFind.Union(edge.From, edge.To))
{
continue;
}
tree.AddEdge(edge);
weight += edge.Weight;
}
return(weight, tree);
}
/// <summary>
/// Wyznacza minimalne drzewo rozpinające grafu algorytmem Boruvki
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <returns>
/// Krotka (weight, mst) składająca się z wagi minimalnego drzewa rozpinającego i grafu opisującego to drzewo
/// </returns>
/// <exception cref="ArgumentException"></exception>
/// <remarks>
/// Jeśli graf g jest typu <see cref="AdjacencyMatrixGraph"/> to wyznaczone drzewo rozpinające mst jest typu
/// <see cref="AdjacencyListsGraph{AVLAdjacencyList}"/>, w przeciwnym
/// przypadku drzewo rozpinające mst jest takiego samego typu jak graf g.<para/>
/// Dla grafu skierowanego metoda zgłasza wyjątek <see cref="ArgumentException"/>.<para/>
/// Wyznaczone drzewo reprezentowane jest jako graf bez cykli,
/// to umożliwia jednolitą obsługę sytuacji gdy analizowany graf jest niespójny,
/// wyznaczany jest wówczas las rozpinający.<para/>
/// Jest to nieco zmodyfikowana wersja algorytmu Boruvki
/// (nie ma operacji "sciągania" spójnych składowych w jeden wierzchołek).
/// </remarks>
/// <seealso cref="MSTGraphExtender"/>
/// <seealso cref="ASD.Graphs"/>
public static (double weight, Graph mst) Boruvka(this Graph g)
{
if (g.Directed)
{
throw new ArgumentException("Directed graphs are not allowed");
}
var unionFind = new UnionFind(g.VerticesCount);
var edgesMinPriorityQueue = new EdgesMinPriorityQueue();
var tree = g is AdjacencyMatrixGraph ? new AdjacencyListsGraph <AVLAdjacencyList>(false, g.VerticesCount) : g.IsolatedVerticesGraph();
var weight = 0.0;
var change = true;
while (change)
{
change = false;
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
Edge?edge = null;
foreach (var e in g.OutEdges(i))
{
if (unionFind.Find(i) != unionFind.Find(e.To) && (edge == null || e.Weight < edge.Value.Weight))
{
edge = e;
}
}
if (edge != null)
{
edgesMinPriorityQueue.Put(edge.Value);
}
}
while (!edgesMinPriorityQueue.Empty)
{
var edge = edgesMinPriorityQueue.Get();
if (!unionFind.Union(edge.From, edge.To))
{
continue;
}
tree.AddEdge(edge);
weight += edge.Weight;
if (tree.EdgesCount == g.VerticesCount - 1)
{
return(weight, tree);
}
change = true;
}
}
return(weight, tree);
}
public static EdgesMinPriorityQueue getGraphEdgesMin(Graph graph)
{
EdgesMinPriorityQueue edges = new EdgesMinPriorityQueue();
int verticesCount = graph.VerticesCount;
for (int i = 0; i < verticesCount; i++)
{
for (int j = 0; j < i; j++)
{
if (!double.IsNaN(graph.GetEdgeWeight(i, j)))
{
edges.Put(new Edge(i, j, graph.GetEdgeWeight(i, j)));
}
}
}
return(edges);
}
/// <summary>
/// Znajduje rozwiązanie przybliżone problemu komiwojażera algorytmem zachłannym "kruskalopodobnym"
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <returns>Krotka (weight, cycle) składająca się z długości (sumy wag krawędzi) znalezionego cyklu i tablicy krawędzi tworzących ten cykl)</returns>
/// <remarks>
/// Elementy (krawędzie) umieszczone są w tablicy cycle w kolejności swojego następstwa w znalezionym cyklu Hamiltona.<para/>
/// Jeśli algorytm "kruskalopodobny" nie znajdzie w badanym grafie cyklu Hamiltona (co oczywiście nie znaczy, że taki cykl nie istnieje) to metoda zwraca krotkę (NaN,null).<para/>
/// Metodę można stosować dla grafów skierowanych i nieskierowanych.<para/>
/// Metodę można stosować dla dla grafów z dowolnymi (również ujemnymi) wagami krawędzi.
/// </remarks>
/// <seealso cref="AproxTSPGraphExtender"/>
/// <seealso cref="ASD.Graphs"/>
public static (double weight, Edge[] cycle) KruskalTSP(this Graph g)
{
if (g.VerticesCount <= (g.Directed ? 1 : 2))
{
return(double.NaN, null);
}
var graph = !(g is AdjacencyMatrixGraph) ? g.IsolatedVerticesGraph() : new AdjacencyListsGraph <SimpleAdjacencyList>(g.Directed, g.VerticesCount);
var unionFind = new UnionFind(g.VerticesCount);
var edgesMinPriorityQueue = new EdgesMinPriorityQueue();
for (var i = 0; i < g.VerticesCount; i++)
{
foreach (var edge in g.OutEdges(i))
{
if (g.Directed || edge.From < edge.To)
{
edgesMinPriorityQueue.Put(edge);
}
}
}
while (graph.EdgesCount < g.VerticesCount && !edgesMinPriorityQueue.Empty)
{
var edge = edgesMinPriorityQueue.Get();
if (graph.OutDegree(edge.From) >= (g.Directed ? 1 : 2) ||
graph.InDegree(edge.To) >= (g.Directed ? 1 : 2))
{
continue;
}
if (unionFind.Union(edge.From, edge.To) || graph.EdgesCount == g.VerticesCount - 1)
{
graph.AddEdge(edge);
}
}
if (graph.EdgesCount < g.VerticesCount)
{
return(double.NaN, null);
}
var cycle = new Edge[g.VerticesCount];
var weight = 0.0;
var prevVert = -1;
var vert = 0;
for (var i = 0; i < g.VerticesCount;)
{
foreach (var edge in graph.OutEdges(vert))
{
if (edge.To == prevVert)
{
continue;
}
cycle[i++] = edge;
weight += edge.Weight;
prevVert = vert;
vert = edge.To;
break;
}
}
return(weight, cycle);
}
/// <summary>
/// Znajduje rozwiązanie przybliżone problemu komiwojażera algorytmem zachłannym "kruskalopodobnym"
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <param name="cycle">Znaleziony cykl (parametr wyjściowy)</param>
/// <returns>Długość znalezionego cyklu (suma wag krawędzi)</returns>
/// <remarks>
/// Elementy (krawędzie) umieszczone są w tablicy <i>cycle</i> w kolejności swojego następstwa w znalezionym cyklu Hamiltona.<br/>
/// <br/>
/// Jeśli algorytm "kruskalopodobny" nie znajdzie w badanym grafie cyklu Hamiltona
/// (co oczywiście nie znaczy, że taki cykl nie istnieje) to metoda zwraca <b>null</b>,
/// parametr wyjściowy <i>cycle</i> również ma wówczas wartość <b>null</b>.<br/>
/// <br/>
/// Metodę można stosować dla grafów skierowanych i nieskierowanych.<br/>
/// <br/>
/// Metodę można stosować dla dla grafów z dowolnymi (również ujemnymi) wagami krawędzi.
/// </remarks>
public static double TSP_Kruskal(this Graph g, out Edge[] cycle)
{
// ToDo - algorytm "kruskalopodobny"
int n = g.VerticesCount;
EdgesMinPriorityQueue edgesQueue = new EdgesMinPriorityQueue();
for (int v = 0; v < n; v++)
{
foreach (Edge e in g.OutEdges(v))
{
// For undirected graphs only add edges once
if (!g.Directed && e.From >= e.To)
{
continue;
}
edgesQueue.Put(e);
}
}
UnionFind uf = new UnionFind(n);
Graph minSpanningTree = g.IsolatedVerticesGraph();
while (!edgesQueue.Empty && minSpanningTree.EdgesCount < n - 1)
{
Edge e = edgesQueue.Get();
if (uf.Find(e.From) == uf.Find(e.To)) // Edge would preemptively create a cycle
{
continue;
}
if (g.Directed)
{
if (minSpanningTree.OutDegree(e.From) != 0 || minSpanningTree.InDegree(e.To) != 0) // Two out edges or two in edges for some vertex
{
continue;
}
}
else
{
if (minSpanningTree.OutDegree(e.From) == 2 || minSpanningTree.OutDegree(e.To) == 2) // Edge would create a diversion on the path
{
continue;
}
}
minSpanningTree.AddEdge(e);
uf.Union(e.From, e.To);
}
if (minSpanningTree.EdgesCount < n - 1)
{
// Unable to construct a spanning path with n-1 edges
cycle = null;
return(double.NaN);
}
// Look for vertices at the beginning and end of the path
int cycleBeginV = -1,
cycleEndV = -1;
for (int v = 0; v < n; v++)
{
if (!minSpanningTree.Directed)
{
if (minSpanningTree.OutDegree(v) == 1)
{
if (cycleBeginV == -1)
{
cycleBeginV = v;
}
else
{
cycleEndV = v;
break;
}
}
}
else
{
if (minSpanningTree.OutDegree(v) == 0)
{
cycleBeginV = v;
}
if (minSpanningTree.InDegree(v) == 0)
{
cycleEndV = v;
}
if (cycleBeginV != -1 && cycleEndV != -1)
{
break;
}
}
}
if (cycleBeginV == -1 || cycleEndV == -1)
{
// This if is superfluous, but I'm leaving it just for clarity
cycle = null;
return(double.NaN);
}
// Closing the cycle
minSpanningTree.AddEdge(new Edge(cycleBeginV, cycleEndV, g.GetEdgeWeight(cycleBeginV, cycleEndV)));
cycle = new Edge[n];
int currentCycleV = 0;
double cycleLength = 0;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
Edge?cycleEdge = minSpanningTree.OutEdges(currentCycleV).First();
if (!minSpanningTree.Directed && i > 0)
{
// Make sure the edge goes further into the cycle, not backwards (only for undirected graphs)
foreach (Edge e in minSpanningTree.OutEdges(currentCycleV))
{
if (e.To != cycle[i - 1].From)
{
cycleEdge = e;
break;
}
}
}
cycle[i] = cycleEdge.Value;
currentCycleV = cycleEdge.Value.To;
cycleLength += cycleEdge.Value.Weight;
}
return(cycleLength);
} // TSP_Kruskal
} // TSP_Kruskal
/// <summary>
/// Znajduje rozwiązanie przybliżone problemu komiwojażera tworząc cykl Hamiltona na podstawie drzewa rozpinającego
/// </summary>
/// <param name="g">Badany graf</param>
/// <param name="cycle">Znaleziony cykl (parametr wyjściowy)</param>
/// <returns>Długość znalezionego cyklu (suma wag krawędzi)</returns>
/// <remarks>
/// Elementy (krawędzie) umieszczone są w tablicy <i>cycle</i> w kolejności swojego następstwa w znalezionym cyklu Hamiltona.<br/>
/// <br/>
/// Jeśli algorytm bazujący na drzewie rozpinającym nie znajdzie w badanym grafie cyklu Hamiltona
/// (co oczywiście nie znaczy, że taki cykl nie istnieje) to metoda zwraca <b>null</b>,
/// parametr wyjściowy <i>cycle</i> również ma wówczas wartość <b>null</b>.<br/>
/// <br/>
/// Metodę można stosować dla grafów nieskierowanych.<br/>
/// Zastosowana do grafu skierowanego zgłasza wyjątek <see cref="System.ArgumentException"/>.<br/>
/// <br/>
/// Metodę można stosować dla dla grafów z dowolnymi (również ujemnymi) wagami krawędzi.<br/>
/// <br/>
/// Dla grafu nieskierowanego spełniajacego nierówność trójkąta metoda realizuje algorytm 2-aproksymacyjny.
/// </remarks>
public static double TSP_TreeBased(this Graph g, out Edge[] cycle)
{
if (g.Directed)
{
throw new System.ArgumentException("Graph is directed");
}
int n = g.VerticesCount;
EdgesMinPriorityQueue edgesQueue = new EdgesMinPriorityQueue();
for (int v = 0; v < n; v++)
{
foreach (Edge e in g.OutEdges(v))
{
// Only add edges once
if (e.From >= e.To)
{
continue;
}
edgesQueue.Put(e);
}
}
Graph minSpanningTree = g.IsolatedVerticesGraph();
UnionFind uf = new UnionFind(n);
while (!edgesQueue.Empty && minSpanningTree.EdgesCount < n - 1)
{
Edge e = edgesQueue.Get();
if (uf.Find(e.From) == uf.Find(e.To)) // Same component, would create a cycle
{
continue;
}
minSpanningTree.AddEdge(e);
}
if (minSpanningTree.EdgesCount < n - 1)
{
}
int[] preorderVertices = new int[n];
int i = 0;
minSpanningTree.GeneralSearchAll <EdgesQueue>(v =>
{
preorderVertices[i++] = v;
return(true);
}, null, null, out int cc);
cycle = new Edge[n];
double cycleLength = 0;
for (i = 1; i < n; i++)
{
int v1 = preorderVertices[i - 1],
v2 = preorderVertices[i];
Edge e = new Edge(v1, v2, g.GetEdgeWeight(v1, v2));
cycle[i - 1] = e;
cycleLength += e.Weight;
if (e.Weight.IsNaN())
{
break; // Added an edge that doesn't exist
}
}
if (cycleLength.IsNaN())
{
cycle = null;
return(double.NaN);
}
double closingEdgeWeight = g.GetEdgeWeight(preorderVertices[n - 1], preorderVertices[0]);
cycle[n - 1] = new Edge(preorderVertices[n - 1], preorderVertices[0], closingEdgeWeight);
cycleLength += closingEdgeWeight;
return(cycleLength);
} // TSP_TreeBased