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グラフ理論の問題

難易度 1教科書の例題レベル大学数学 グラフ理論

頂点集合 をもつ重みつき単純無向グラフ があり、辺とその重みは次の 本である。

の最小全域木の重み(最小全域木に含まれる辺の重みの和)を求めよ。

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(7 技能)
算数中学高校大学大学院

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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 樹形図で数え上げる
  2. 積の法則と和の法則
  3. 和の法則・積の法則と樹形図
  4. 順列・円順列・重複順列
  5. 組合せ
  6. グラフの次数と握手補題
  7. 最小全域木(クラスカル法・プリム法)

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

最小全域木を求める技能(クラスカル法)を使う。辺を重みの小さい順に並べ、閉路ができない辺だけを採用していく。

ヒント 2

頂点が 個なので、全域木の辺は 本。 本採用したら終わりにしてよい。

ヒント 3

重み の 、重み の 、重み の はどれも閉路を作らないので採用できる。次の重み の はどうか調べよう。

答えと解説

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解説を読む

方針:クラスカル法を使う。辺を重みの小さい順に見ていき、閉路ができなければ採用し、閉路ができるなら捨てる。

頂点数は なので、全域木の辺数は 本である。4 本採用した時点で終了する。

辺を重みの小さい順に並べると

である。

1. (重み ):閉路はできないので採用。成分は , , , 。
2. (重み ): と は別の成分なので採用。成分は , , 。
3. (重み ): と は別の成分なので採用。成分は , 。
4. (重み ): と は別の成分なので採用。成分は の 1 つになった。

これで 本の辺 を採用し、全域木ができたので終了する(残りの辺 はどれも同じ成分内の 2 頂点を結ぶので、加えると閉路ができる)。

よって最小全域木の重みは

である。

(なお、辺の重みがすべて異なるので最小全域木はただ 1 つに決まる。)

別解

クラスカル法を用いる。辺を重みの小さい順に並べると DE:1, AC:2, BD:3, AB:4, BC:5, CD:6, CE:7, AE:8 となる。
1. DE(1) を採用する。{D,E} がつながる。
2. AC(2) を採用する。{A,C} がつながる。
3. BD(3) を採用する。{B,D,E} がつながる。
4. AB(4) は A と B が別の成分 {A,C}、{B,D,E} にあるので採用する。全体 {A,B,C,D,E} がつながり、辺は 4 本になる。
5. 頂点数 5 なので辺が 4 本そろった時点で終了する。
最小全域木の辺は DE, AC, BD, AB で、重みの和は 。
検算:プリム法で A から始める。AC(2)、AB(4)、BD(3)、DE(1) の順に採用され、和は 10 で一致する。

この問題の確認

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