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计算机科学 > 数据结构与算法

arXiv:2510.22662 (cs)
[提交于 2025年10月26日 ]

标题: 生成完全图的生成树的枢轴格雷码在常数摊销时间内

标题: Generating pivot Gray codes for spanning trees of complete graphs in constant amortized time

Authors:Bowie Liu, Dennis Wong, Chan-Tong Lam, Sio-Kei Im
摘要: 我们提出了第一个已知的完全图生成树的轴心Gray码,列出所有生成树,使得连续的树通过在一个顶点周围旋转单条边而不同。 这种轴心Gray码解决了Knuth在《计算机程序设计艺术》第四卷(第7.2.1.6节,练习101,[Knuth, 2011])中提出的一个开放问题,难度评级为50分中的46分,并且比现有的旋转门或边交换Gray码对完全图生成树的要求更严格。 我们的递归算法使用$O(n^2)$空间,在均摊常数时间内生成每个生成树。 此外,我们提供了一种新的Cayley公式的证明,$n^{n-2}$,用于计算完全图中生成树的数量,该证明来自于我们的递归方法。 我们将该算法扩展为生成具有$n$个顶点的一般图的边交换Gray码,每个生成树的处理时间为$O(n^2)$,使用$O(n^2)$空间。 对于特定的图类,该算法可以优化以生成生成树的边交换格雷码,对于完全二分图,每个生成树的时间为常数摊销时间,对于扇形图,每个生成树的时间为$O(n)$摊销时间,对于轮图,每个生成树的时间为$O(n)$摊销时间,全部使用$O(n^2)$空间。
摘要: We present the first known pivot Gray code for spanning trees of complete graphs, listing all spanning trees such that consecutive trees differ by pivoting a single edge around a vertex. This pivot Gray code thus addresses an open problem posed by Knuth in The Art of Computer Programming, Volume 4 (Exercise 101, Section 7.2.1.6, [Knuth, 2011]), rated at a difficulty level of 46 out of 50, and imposes stricter conditions than existing revolving-door or edge-exchange Gray codes for spanning trees of complete graphs. Our recursive algorithm generates each spanning tree in constant amortized time using $O(n^2)$ space. In addition, we provide a novel proof of Cayley's formula, $n^{n-2}$, for the number of spanning trees in a complete graph, derived from our recursive approach. We extend the algorithm to generate edge-exchange Gray codes for general graphs with $n$ vertices, achieving $O(n^2)$ time per tree using $O(n^2)$ space. For specific graph classes, the algorithm can be optimized to generate edge-exchange Gray codes for spanning trees in constant amortized time per tree for complete bipartite graphs, $O(n)$-amortized time per tree for fan graphs, and $O(n)$-amortized time per tree for wheel graphs, all using $O(n^2)$ space.
评论: 被SODA 2026接收
主题: 数据结构与算法 (cs.DS) ; 离散数学 (cs.DM)
引用方式: arXiv:2510.22662 [cs.DS]
  (或者 arXiv:2510.22662v1 [cs.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.22662
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Bowie Liu [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 10 月 26 日 12:56:34 UTC (1,250 KB)
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