spfa、Dijkstra、Floyd算法最短路算法详解
发布日期:2021-06-29 21:39:42 浏览次数:3 分类:技术文章

本文共 6070 字,大约阅读时间需要 20 分钟。

本文章为转载,这里找点哪里找点凑齐的,这样可以方便进行了解几种算法相同点和不同点

spfa部分转自:http://blog.csdn.net/maxichu/article/details/45309463

  spfa:适用范围:给定的图存在负权边,这时类似Dijkstra等便没有了用武之地,而Bellman-Ford算法的复杂度又过高,SPFA算法便派上用场了。 我们约定有向加权图G不存在负权回路,即最短路径一定存在。当然,我们可以在执行该算法前做一次拓扑排序,以判断是否存在负权回路,但这不是我们讨论的重点。

算法思想:我们用数组d记录每个结点的最短路径估计值,用邻接表来存储图G。我们采取的方法是动态逼近法:设立一个先进先出的队列用来保存待优化的结点,优化时每次取出队首结点u,并且用u点当前的最短路径估计值对离开u点所指向的结点v进行松弛操作,如果v点的最短路径估计值有所调整,且v点不在当前的队列中,就将v点放入队尾。这样不断从队列中取出结点来进行松弛操作,直至队列空为止

期望的时间复杂度O(ke), 其中k为所有顶点进队的平均次数,可以证明k一般小于等于2。

实现方法:

  建立一个队列,初始时队列里只有起始点,再建立一个表格记录起始点到所有点的最短路径(该表格的初始值要赋为极大值,该点到他本身的路径赋为0)。然后执行松弛操作,用队列里有的点作为起始点去刷新到所有点的最短路,如果刷新成功且被刷新点不在队列中则把该点加入到队列最后。重复执行直到队列为空。

判断有无负环:

  如果某个点进入队列的次数超过N次则存在负环(SPFA无法处理带负环的图)

 

 

 

 

首先建立起始点a到其余各点的最短路径表格

首先源点a入队,当队列非空时:

 1、队首元素(a)出队,对以a为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处有b,c,d三个点),此时路径表格状态为:

在松弛时三个点的最短路径估值变小了,而这些点队列中都没有出现,这些点

需要入队,此时,队列中新入队了三个结点b,c,d

队首元素b点出队,对以b为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处只有e点),此时路径表格状态为:

在最短路径表中,e的最短路径估值也变小了,e在队列中不存在,因此e也要

入队,此时队列中的元素为c,d,e

队首元素c点出队,对以c为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处有e,f两个点),此时路径表格状态为:

 

在最短路径表中,e,f的最短路径估值变小了,e在队列中存在,f不存在。因此

e不用入队了,f要入队,此时队列中的元素为d,e,f

 队首元素d点出队,对以d为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处只有g这个点),此时路径表格状态为:

 

队首元素为e,f,g。然后e点出对队,e只指向g,然后此时g的最短路径估值没有变小(松弛不成功),没有新结点入队,队列中元素为f,g,表格状态仍然为:

队首元素f点出队,对以f为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处有d,e,g三个点),此时路径表格状态为:

在最短路径表中,e,g的最短路径估值又变小,队列中无e点,e入队,队列中存在g这个点,g不用入队,此时队列中元素为g,e

队首元素g点出队,对以g为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处只有b点),此时路径表格状态为:

在最短路径表中,b的最短路径估值又变小,队列中无b点,b入队,此时队列中元素为e,b

队首元素e点出队,对以e为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处只有g这个点),此时路径表格状态为:

 

 

在最短路径表中,g的最短路径估值没变化(松弛不成功),此时队列中元素为b

队首元素b点出队,对以b为起始点的所有边的终点依次进行松弛操作(此处只有e这个点),此时路径表格状态为:

 

在最短路径表中,e的最短路径估值没变化(松弛不成功),此时队列为空了

最终a到g的最短路径为14。

代码;

#include<iostream>  

#include<deque>  
#include<cstdio>  
#include<algorithm>  
using namespace std;  
const int MAXN = 110;  
const int MAXM = 10100;  
const int INF = 0x3f3f3f3f;  
  
struct Edge  
{  
    int from, to, cap, next;  
};  
Edge edge[MAXM];  
int head[MAXN];  
int path[MAXN];  
int inqueue[MAXN];  
int dist[MAXN];  
int viscnt[MAXN];  
int cnt;  
void addedge( int from, int to, int cap )  
{  
    edge[cnt].from = from;  
    edge[cnt].to = to;  
    edge[cnt].cap = cap;  
    edge[cnt].next = head[from];  
    head[from] = cnt++;  
}  
int relax(int u,int v,int c)  
{  
    if (dist[u] + c < dist[v])  
    {  
        dist[v] = dist[u] + c;  
        return 1;  
    }  
    return 0;  
}  
bool SPFA( int src, int n )  
{  
    deque<int> dq;  
    memset( viscnt, 0, sizeof viscnt );  
    memset( inqueue, 0, sizeof inqueue );  
    memset( dist, INF, sizeof dist );  
    memset( path, -1, sizeof path );  
    inqueue[src] = 1;  
    viscnt[src]++;  
    dist[src] = 0;  
    dq.push_back( src );  
    while (!dq.empty())  
    {  
        int u = dq.front();  
        dq.pop_front();  
        inqueue[u] = 0;  
        for(int i = head[u]; i != -1; i = edge[i].next)  
        {  
            int v = edge[i].to;  
            if(dist[u] < INF&&relax( u, v, edge[i].cap ))  
            {  
                path[v] = u;  
                if(!inqueue[v])  
                {  
                    inqueue[v] = 1;  
                    viscnt[v]++;  
                    if(viscnt[v] == n)  return false;  
                    if(!dq.empty() && dist[v] <= dist[dq.front()])  
                        dq.push_front( v );  
                    else  
                        dq.push_back( v );  
                }  
            }  
        }  
    }  
    return true;  
}    
int main()  
{  
    int n,m;  
    while(cin >> n >> m &&n&&m)  
    {  
        memset( head, -1, sizeof head );  
        cnt = 0;  
        for(int i = 1; i <= m; i++)  
        {  
            int a, b, c;  
            cin >> a >> b >> c;  
            addedge( a, b, c );//在a->b添加一条负载为c的边  
            addedge( b, a, c );  
        }  
        SPFA( 1, n );  
        cout << dist[n] << endl;  
    }  
    return 0;  
}     

注意:听说下面代码部分未经过测试

以下转自:http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/31/2615833.html

Dijkstra算法

1.定义概览

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法是典型的单源最短路径算法,用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展,直到扩展到终点为止。Dijkstra算法是很有代表性的最短路径算法,在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍,如数据结构,图论,运筹学等等。注意该算法要求图中不存在负权边。

问题描述:在无向图 G=(V,E) 中,假设每条边 E[i] 的长度为 w[i],找到由顶点 V0 到其余各点的最短路径。(单源最短路径)

 

2.算法描述

1)算法思想:设G=(V,E)是一个带权有向图,把图中顶点集合V分成两组,第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示,初始时S中只有一个源点,以后每求得一条最短路径 , 就将加入到集合S中,直到全部顶点都加入到S中,算法就结束了),第二组为其余未确定最短路径的顶点集合(用U表示),按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中,总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外,每个顶点对应一个距离,S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度,U中的顶点的距离,是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。

2)算法步骤:

a.初始时,S只包含源点,即S={v},v的距离为0。U包含除v外的其他顶点,即:U={其余顶点},若v与U中顶点u有边,则<u,v>正常有权值,若u不是v的出边邻接点,则<u,v>权值为∞。

b.从U中选取一个距离v最小的顶点k,把k,加入S中(该选定的距离就是v到k的最短路径长度)。

c.以k为新考虑的中间点,修改U中各顶点的距离;若从源点v到顶点u的距离(经过顶点k)比原来距离(不经过顶点k)短,则修改顶点u的距离值,修改后的距离值的顶点k的距离加上边上的权。

d.重复步骤b和c直到所有顶点都包含在S中。

 

执行动画过程如下图

 

3.算法代码实现:

 

const int  MAXINT = 32767;const int MAXNUM = 10;int dist[MAXNUM];int prev[MAXNUM];int A[MAXUNM][MAXNUM];void Dijkstra(int v0){    bool S[MAXNUM];                                  // 判断是否已存入该点到S集合中      int n=MAXNUM;    for(int i=1; i<=n; ++i)    {        dist[i] = A[v0][i];        S[i] = false;                                // 初始都未用过该点        if(dist[i] == MAXINT)                  prev[i] = -1;        else               prev[i] = v0;     }     dist[v0] = 0;     S[v0] = true;       for(int i=2; i<=n; i++)    {         int mindist = MAXINT;         int u = v0;                               // 找出当前未使用的点j的dist[j]最小值         for(int j=1; j<=n; ++j)            if((!S[j]) && dist[j]

 

4.算法实例

先给出一个无向图

用Dijkstra算法找出以A为起点的单源最短路径步骤如下

 

Floyd算法

1.定义概览

Floyd-Warshall算法(Floyd-Warshall algorithm)是解决任意两点间的最短路径的一种算法,可以正确处理有向图或负权的最短路径问题,同时也被用于计算有向图的传递闭包。Floyd-Warshall算法的时间复杂度为O(N3),空间复杂度为O(N2)。

 

2.算法描述

1)算法思想原理:

     Floyd算法是一个经典的动态规划算法。用通俗的语言来描述的话,首先我们的目标是寻找从点i到点j的最短路径。从动态规划的角度看问题,我们需要为这个目标重新做一个诠释(这个诠释正是动态规划最富创造力的精华所在)

      从任意节点i到任意节点j的最短路径不外乎2种可能,1是直接从i到j,2是从i经过若干个节点k到j。所以,我们假设Dis(i,j)为节点u到节点v的最短路径的距离,对于每一个节点k,我们检查Dis(i,k) + Dis(k,j) < Dis(i,j)是否成立,如果成立,证明从i到k再到j的路径比i直接到j的路径短,我们便设置Dis(i,j) = Dis(i,k) + Dis(k,j),这样一来,当我们遍历完所有节点k,Dis(i,j)中记录的便是i到j的最短路径的距离。

2).算法描述:

a.从任意一条单边路径开始。所有两点之间的距离是边的权,如果两点之间没有边相连,则权为无穷大。   

b.对于每一对顶点 u 和 v,看看是否存在一个顶点 w 使得从 u 到 w 再到 v 比己知的路径更短。如果是更新它。

3).Floyd算法过程矩阵的计算----十字交叉法

方法:两条线,从左上角开始计算一直到右下角 如下所示

给出矩阵,其中矩阵A是邻接矩阵,而矩阵Path记录u,v两点之间最短路径所必须经过的点

相应计算方法如下:

最后A3即为所求结果

 

3.算法代码实现

typedef struct          {            char vertex[VertexNum];                                //顶点表             int edges[VertexNum][VertexNum];                       //邻接矩阵,可看做边表             int n,e;                                               //图中当前的顶点数和边数         }MGraph; void Floyd(MGraph g){   int A[MAXV][MAXV];   int path[MAXV][MAXV];   int i,j,k,n=g.n;   for(i=0;i
(A[i][k]+A[k][j]))   {   A[i][j]=A[i][k]+A[k][j];   path[i][j]=k;   }  } }

算法时间复杂度:O(n3)

转载地址:https://dh-butterfly.blog.csdn.net/article/details/70215078 如侵犯您的版权,请留言回复原文章的地址,我们会给您删除此文章,给您带来不便请您谅解!

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[***.202.152.39]2024年04月15日 05时02分44秒

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