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Union-Find 实现调试指南:修复路径压缩、根节点合并与秩更新逻辑

碧海醫心

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发布时间:2026-02-16 11:46:02

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来源于php中文网

原创

Union-Find 实现调试指南:修复路径压缩、根节点合并与秩更新逻辑

本文详解 leetcode 547 题中 union-find 实现的典型错误,包括未执行 find 查找根节点、错误合并非根节点、秩(rank)误增等问题,并提供完整可运行的修正代码与关键原理说明。

本文详解 leetcode 547 题中 union-find 实现的典型错误,包括未执行 find 查找根节点、错误合并非根节点、秩(rank)误增等问题,并提供完整可运行的修正代码与关键原理说明。

在解决「省份数量」(LeetCode 547)这类连通分量问题时,Union-Find(并查集)是高效且常用的数据结构。但初学者常因忽略其核心契约而引入隐蔽 Bug——例如直接使用 parent[i] 和 parent[j] 比较或赋值,却未先通过 find 定位真正的根节点。这会导致逻辑断裂:两个节点虽属同一连通分量,却因路径未压缩、父指针未回溯而被误判为不同集合,最终使 count 计数偏小(如题中输出 2 而非正确答案 3)。

? 核心错误剖析

原代码存在三个关键缺陷:

  1. 缺失 find 操作:p1, p2 = parent[i], parent[j] 仅取直接父节点,而非集合根节点。若 i → a → root,j → b → root,则 parent[i] ≠ parent[j] 仍成立,但二者实属同一集合。
  2. 错误的 union 目标:parent[j] = p1 或 parent[i] = p2 修改的是子节点的父指针,而非根节点之间的连接。正确做法是 parent[p1] = p2(将一棵树的根挂到另一棵树的根下)。
  3. 秩(rank)更新逻辑错误:rank 表示以该节点为根的树的高度(或近似高度)。仅当两树 rank 相等时,合并后新根的 rank 才需 +1;否则,新树高度不变,不应无条件 += 1。

✅ 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)优化 find(兼顾简洁性与性能),并在 union 中严格操作根节点、精准更新 rank:

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class Solution(object):
    def findCircleNum(self, isConnected):
        def find(i):
            # 路径折半:每次跳两级,加速收敛
            while i != parent[i]:
                parent[i] = parent[parent[i]]  # 压缩当前节点的父节点
                i = parent[i]
            return i

        n = len(isConnected)
        parent = list(range(n))   # 初始化:每个节点自成一集
        rank = [1] * n            # rank[i] 表示以 i 为根的树的高度
        count = n                 # 初始有 n 个独立集合(省)

        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:
                        count -= 1  # 合并两个集合,总数减一
                        # 按秩合并:小树挂到大树下
                        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:  # rank 相等,任选其一为根,且该根 rank +1
                            parent[root_j] = root_i
                            rank[root_i] += 1
        return count

⚠️ 关键注意事项

  • find 是一切的前提:任何比较(root_i != root_j)或合并(parent[root_j] = root_i)前,必须调用 find 获取真实根节点。切勿跳过。
  • union 操作对象只能是根节点:parent[x] = y 中的 x 和 y 必须是各自集合的根(即满足 find(x) == x 和 find(y) == y)。
  • rank 不代表当前节点深度,而是树高上界:它仅用于指导合并方向,且只在两树高度相等时递增。误增会导致后续合并偏向错误方向,降低效率甚至引入逻辑错误。
  • 路径压缩与按秩合并可共存:本例的路径折半(parent[i] = parent[parent[i]])与按秩合并互不冲突,共同保障接近常数级的均摊时间复杂度(≈ O(α(n)))。

✅ 验证结果

对题目提供的 15×15 测试矩阵运行上述代码,返回 3,与期望一致。该解法时间复杂度为 O(n² α(n)),空间复杂度 O(n),稳健适用于大规模稠密图场景。

掌握 find 的必要性、union 的目标对象以及 rank 的语义,是写出正确 Union-Find 的铁三角。每一次跳过 find,都是在为难以复现的连通性错误埋下伏笔。

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