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Union-Find 实现调试指南:解决省份数量问题中的常见逻辑错误

聖光之護

聖光之護

发布时间:2026-02-16 11:55:00

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来源于php中文网

原创

Union-Find 实现调试指南:解决省份数量问题中的常见逻辑错误

本文详解 leetcode 547 题中 union-find 算法实现的典型缺陷,包括未执行路径压缩导致的根节点误判、非根节点直接参与合并引发的结构断裂,以及秩更新逻辑错误,并提供修复后的完整可运行代码。

本文详解 leetcode 547 题中 union-find 算法实现的典型缺陷,包括未执行路径压缩导致的根节点误判、非根节点直接参与合并引发的结构断裂,以及秩更新逻辑错误,并提供修复后的完整可运行代码。

在使用并查集(Union-Find)求解连通分量类问题(如 LeetCode 547. Number of Provinces)时,看似简洁的代码常因忽略核心机制而返回错误结果。题中测试用例返回 2 而非预期 3,正是典型实现漏洞的外在表现。根本原因在于:原始代码跳过了关键的 find 操作,直接使用 parent[i] 和 parent[j] 判断连通性,这仅反映“一层父节点”,而非真正的集合代表元(即根节点)

核心问题剖析

  1. 缺失 find 操作 → 根节点误判
    并查集的 union 前必须先 find 各节点的根。若仅比较 parent[i] != parent[j],当 i→a→root、j→b→root(即二者同属一棵树但父节点不同)时,会错误触发合并或计数减一,破坏连通性语义。

  2. 非根节点参与合并 → 树结构断裂
    原代码中 parent[j] = p1 或 parent[i] = p2 是危险操作:i/j 很可能不是其所在树的根,将其父指针重定向会导致子树与原根脱节,后续 find 无法收敛到统一根节点。

  3. 秩(rank)更新逻辑错误
    rank 表示以该节点为根的树的高度(或近似深度)。仅当两棵树高度相等时,合并后新根的 rank 才需 +1;若 r1 > r2,将矮树挂到高树下,rank[p1] 不应变化。原代码无条件 += 1 会导致秩失真,削弱按秩合并的优化效果。

正确实现:路径压缩 + 按秩合并

以下为修复后的完整实现,采用路径折半(path halving) 进行压缩(兼顾简洁与效率),并严格遵循“先 find,再 union 根,最后按需更新 rank”原则:

class Solution(object):
    def findCircleNum(self, isConnected):
        def find(x):
            # 路径折半:每次迭代将 x 的父节点设为其祖父节点,加速扁平化
            while x != parent[x]:
                parent[x] = parent[parent[x]]
                x = parent[x]
            return x

        n = len(isConnected)
        parent = list(range(n))  # 初始化:每个节点自成一族
        rank = [1] * n           # 初始秩均为 1(单节点树高度为 1)
        provinces = n            # 初始连通分量数 = 城市数

        # 遍历邻接矩阵上三角(避免重复处理无向边)
        for i in range(n):
            for j in range(i + 1, n):
                if isConnected[i][j] == 1:
                    root_i, root_j = find(i), find(j)
                    if root_i != root_j:
                        provinces -= 1  # 合并两个分量,总数减一
                        # 按秩合并:将秩小的树挂到秩大的树根下
                        if rank[root_i] > rank[root_j]:
                            parent[root_j] = root_i
                        elif rank[root_i] < rank[root_j]:
                            parent[root_i] = root_j
                        else:  # 秩相等,任选其一为根,且该根秩 +1
                            parent[root_j] = root_i
                            rank[root_i] += 1
        return provinces

关键注意事项

  • find 必须被调用:所有涉及连通性判断或合并操作前,务必通过 find(x) 获取真实根节点。
  • union 操作对象只能是根节点:parent[root_a] = root_b,而非 parent[a] = root_b。
  • rank 更新需谨慎:仅当 rank[root_a] == rank[root_b] 时,新根的 rank 才 +1;否则保持不变。
  • ⚠️ 避免冗余操作:union 逻辑(含 rank 更新)应严格置于 if root_i != root_j: 分支内,防止无效计算。
  • ? 调试建议:在 find 中添加日志(如 print(f"find({x}) -> {x}"))或使用可视化工具观察 parent 数组演化过程,可快速定位路径压缩失效点。

该实现已通过题中全部测试用例,时间复杂度接近 $O(n^2 \alpha(n))$($\alpha$ 为反阿克曼函数,实际视为常数),空间复杂度 $O(n)$,兼具正确性、效率与可维护性。掌握这些底层细节,是写出健壮并查集代码的关键。

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