Árvores abrangentes de custo mínimo

Propriedade do corte, algoritmos de Prim e Kruskal, florestas e empates.

TLDR

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Corte e escolha segura

Corte (S,V∖S)(S,V\setminus S); aresta atravessa com extremos em lados opostos. AA respeita corte sem o atravessar.

Se AA está em alguma MST e ee é a mais leve a atravessar corte respeitado, A∪{e}A\cup\{e\} continua em alguma MST. Troca ee por outra ff do ciclo criado, com w(e)≤w(f)w(e)\le w(f). Acíclico só não chega: triângulo 1,2,101,2,10 com 1010 primeiro não completa MST.

Kruskal e Prim

AlgoritmoEscolhaEstruturaCusto
KruskalAresta mais leve entre componentes distintasUnion-findO(mlog⁡m+n)O(m\log m+n); simples conexo O(mlog⁡n)O(m\log n)
PrimVértice exterior com menor key desde SSHeap ou matrizO((n+m)log⁡n)O((n+m)\log n); denso O(n2)O(n^2) com matriz
  • Para após n−1n-1 aceitações.
  • key[v] é peso de aresta desde SS, não distância à raiz como em Dijkstra.
  • Variante com heap de arestas e descarte de internas: O(mlog⁡m+n)O(m\log m+n).

Floresta e empates

  • Desconexo: Kruskal dá floresta mínima; Prim reinicia por componente. Componente isolada custa zero.
  • Heap vazia ou chave infinita não é aresta fictícia.
  • Pesos iguais permitem várias MST; desempate torna determinístico sem mudar definição.
  • Pesos todos distintos implicam MST única.

MST não é árvore de caminhos mínimos

Triângulo ab=2ab=2, bc=2bc=2, ac=3ac=3: MST usa ab,bcab,bc com total 4, mas caminho a→ca\to c na árvore custa 4 contra 3 direto. MST minimiza soma total; árvore de Dijkstra minimiza cada distância à origem.

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