單源最短路徑算法——Bellman-ford算法和Dijkstra算法

本文轉載自查看原文 2019-02-05 17:03 1019 算法導論復習

BellMan-ford算法描述

1.初始化：將除源點外的所有頂點的最短距離估計值 dist[v] ← +∞, dist[s] ←0;
2.迭代求解：反復對邊集E中的每條邊進行松弛操作，使得頂點集V中的每個頂點v的最短距離估計值逐步逼近其最短距離；（運行|v|-1次）
3.檢驗負權回路：判斷邊集E中的每一條邊的兩個端點是否收斂。如果存在未收斂的頂點，則算法返回false，表明問題無解；否則算法返回true，並且從源點可達的頂點v的最短距離保存在 dist[v]中。

1 BELLMAN-FORD(G, w, s)
2 INITIALIZE-SINGLE-SOURCE(G,s)
3 for i =1 to |G.V|-1　　// 實驗證明最多只需|V|-1次外層循環，|V|-1次結束后，若圖G中無負權回路，那么s到其他所有頂點的最短路徑求得
4 　　for each edge (u, v)∈E   　　//算法核心，松弛每一條邊，維持三角不等式成立
5 　　　　RELAX(u,v,w) //對每一條邊進行松弛操作
6 for each edge (u, v)∈E　　　　//進行完|V|-1次循環操作后，如果還能某條邊還能進行松弛，說明到某個點的最短路徑還未找到，那么必定是存在負權回路，返回FALSE
7 　　if d[v] > d[u] + w(u, v)
8 　　　　return FALSE
9 return TRUE　　　　//若進行上面的松弛之后沒有返回，說明所有的d值都不會再改變了，那么最短路徑權值完全找到，返回TRUE

舉例說明：

給定原點是s，初始化時候除了原點s之外，其他的都是無窮大的。因為有5個頂點，所以需要松弛的次數為5-1次

這里我們按照邊<t,x>、<t,y>、<t,z>、<y,x>、<y,z>、<z,x>、<z,s>、<s,t>、<s,y>的順序進行變得松弛操作。

第一次按照上述邊進行松弛操作之后(實際上只對<s,t>、<s,y>進行操作)的結果為

第二次按照給定邊進行松弛操作之后：

第三次松弛操作之后：

最后一次松弛操作：

給出實力代碼

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstdio>
 3 using namespace std;
 4 
 5 #define INF 0xffff      //權值上限
 6 #define maxe 5000       //邊數上限
 7 #define maxn 100        //頂點數上限
 8 int n, m;       //頂點數、邊數
 9 int d[maxn];    //保存最短路徑權值的數組
10 int parent[maxn];  //每個頂點的前驅頂點，用以還原最短路徑樹
11 struct edge     //表述邊的結構體，因為要對每一條邊松弛
12 {
13     int u, v, w;    //u為邊起點，v為邊端點，w為邊權值，可以為負
14 }EG[maxe];
15 
16 bool Bellman_Ford(int s)    //計算從起點到所有頂點的
17 {
18     for(int i = 1; i <= n; i++)     //初始化操作d[EG[j].v] > d[EG[j].u]+EG[j].w
19     {
20         d[i] = INF;
21         parent[i] = -1;
22     }
23     d[s] = 0;
24     bool flag;      //標記，判斷d值是否更新，跳出外層循環的依據
25     for(int i = 1; i < n; i++)  //外層循環最多做n-1次
26     {
27         flag = false;   //初始為false,假設不需再更新
28         for(int j = 0; j < m; j++)  //對m條邊進行松弛操作，若有更新，flag記為true
29             if(d[EG[j].v] > d[EG[j].u]+EG[j].w)     //if d[v] > d[u] + w(u, v)，更新d[v]
30             {
31                 d[EG[j].v] = d[EG[j].u]+EG[j].w;
32                 parent[EG[j].v] = EG[j].u;
33                 flag = true;
34             }
35         if(!flag) break; //若松弛完每條邊后，flag狀態不變，說明未發現更新，可直接跳出循環
36     }
37     for(int i = 0; i < m; i++)  //做完上述松弛后，如果還能松弛，說明存在負權回路，返回false
38         if(d[EG[i].v] > d[EG[i].u]+EG[i].w)
39             return false;
40     return true;    //不存在負權回路，返回true
41 }
42 
43 int main()
44 {
45     int st;
46     printf("請輸入n和m:\n");
47     scanf("%d%d", &n, &m);
48     printf("請輸入m條邊(u, v, w)：\n");
49     for(int i = 0; i < m; i++)
50         scanf("%d%d%d", &EG[i].u, &EG[i].v, &EG[i].w);
51     printf("請輸入起點：");
52     scanf("%d", &st);
53     if(Bellman_Ford(st))
54     {
55         printf("不存在負權回路。\n");
56         printf("源頂點到各頂點的最短路徑權值為：\n");
57         for(int i = 1; i <= n; i++)
58             printf("%d ", d[i]);
59         printf("\n");
60     }
61 }

View Code

輸入測試用例

1 2 -1
1 3 4
2 3 3
2 4 2
2 5 2
4 2 1
4 3 5
5 4 -3

Dijkstra算法

　(1)該算法要求所有邊的權重均為非負值，即對於所有的邊(u,v)∈E，ω(u,v)≥0，—— 既不能有負權重的邊，更不能有負權重的環。算法在運行過程中維持的關鍵信息是一組結點集合S。從源結點s到該集合中每個節點之間的最短路徑已經被找到。算法重復的從結點集合V-S中選擇最短路徑估計最小的結點u，將u加入到集合S中，然后對所有從u發出的邊進行松弛操作。

　　(2)算法設計思想如下：