最短路演算法詳解(Dijkstra/SPFA/Floyd)

hr_whisper發表於2014-02-16

新的整理版本版的地址見我新部落格 http://www.hrwhisper.me/?p=1952

一、Dijkstra

Dijkstra單源最短路演算法,即計算從起點出發到每個點的最短路。所以Dijkstra常常作為其他演算法的預處理。

 使用鄰接矩陣的時間複雜度為O(n^2),用優先佇列的複雜度為O((m+n)logn)近似為O(mlogn)

(一)  過程

每次選擇一個未訪問過的到已經訪問過(標記為Known)的所有點的集合的最短邊,並用這個點進行更新,過程如下:

Dv為最短路,而Pv為前面的頂點。


1.     初始

V

 Known 

 Dv 

Pv

V1

     F

  0

 0

V2

     F

 ∞

0

V3

     F

 ∞

0

V4

      F

 ∞

0

V5  

     F

 ∞

0

V6

    F

 ∞

0

V7

   F

 ∞

0

 

2.     在v1被標記為已知後的表

V

Known

Dv 

 Pv

V1  

  T

0

0

V2

  F

2

V1

V3

  F

0

V4

  F

1

V1

V5

  F

 ∞

0

V6

  F

 ∞

0

V7

  F

0

3.     下一步選取v4並且標記為known,頂點v3,v5,v6,v7是鄰接的頂點,而他們實際上都需要調整。如表所示:

V

Known 

Dv 

Pv 

V1 

 T

0

0

V2

 F

2

V1

V3

 F

3

V4

V4

 T

1

V1

V5

 F

3

V4

V6

 F

9

V4

V7

 F

5

V4

 

4.     接下來選取v2,v4是鄰接點,但已經是known的,不需要調整,v5是鄰接的點但不做調整,因為經過v2的值為2+10=12而長為3的路徑已經是已知的。

V

Known 

Dv 

Pv 

V1

  T

 0

0

V2

 T 

 2

V1

V3

 F

 3

V4

V4

 T

 1

V1

V5

 F

 3

V4

V6

 F

 9

V4

V7

 F

 5

V4

 

5.     接下來選取v5,值為3,v7 3+6>5不需調整,然後選取v3,對v6的距離下調到3+5=8

V

Known

Dv 

Pv 

V1

 T

0

0

V2

 T

2

V1

V3

 T

3

V4

V4

 T

1

V1

V5

 T

3

V4

V6

 F

8

V3

V7 

 F

5

V4

 

6.     再選下一個頂點是v7,v6變為5+1=6

V

Known

Dv

 Pv 

V1 

 T

0

0

V2

 T 

2

V1

V3

 T

 3

 V4

V4

 T

 1

 V1

V5  

 T

 3

 V4

V6 

 F

 6

V7

V7

 T

 5

V4

 

7.     最後選取v6

V

Known

Dv

Pv

V1 

 T

 0

V2

 T 

 2

V1 

V3

 T

 3

V4

V4

 T

 1

V1

V5

 T

 3

V4

V6

 T

 6

V7

V7

 T

 5

V4

 

(二)  侷限性

Dijkstra沒辦法解決負邊權的最短路徑,如圖


執行完該演算法後,從頂點1到頂點3的最短路徑為1,3,其長度為1,而實際上最短路徑為1,2,3,其長度為0.(因為過程中先選擇v3v3被標記為已知,今後不再更新)

(三) 演算法實現。

1.普通的鄰接表 以(HDU 1874 暢通工程續 SPFA || dijkstra)為例

用vis作為上面標記的known,dis記錄最短距離(記得初始化為一個很大的數)。

void dijkstra(int s)
{
	memset(vis,0,sizeof(vis));       
	int cur=s;                   
	dis[cur]=0;
	vis[cur]=1;
	for(int i=0;i<n;i++)
	{
		for(int j=0;j<n;j++)                     
			if(!vis[j] && dis[cur] + map[cur][j] < dis[j])   //未被標記且比已知的短,可更新
				dis[j]=dis[cur] + map[cur][j] ;

		int mini=INF;
		for(int j=0;j<n;j++)                  
			if(!vis[j] && dis[j] < mini)    //選擇下一次到已知頂點最短的點。
				mini=dis[cur=j];
		vis[cur]=true;
	}	
}

2.鄰接表+優先佇列。

要過載個比較函式.

struct point
{
	int val,id;
	point(int id,int val):id(id),val(val){}
	bool operator <(const point &x)const{
		return val>x.val;
	}
};
void dijkstra(int s)
{
	memset(vis,0,sizeof(vis));
	for(int i=0;i<n;i++)
		dis[i]=INF;	

	priority_queue<point> q;
	q.push(point(s,0));
	dis[s]=0;
	while(!q.empty())
	{
		int cur=q.top().id;
		q.pop();
		if(vis[cur]) continue;
		vis[cur]=true;
		for(int i=head[cur];i!=-1;i=e[i].next)
		{
			int id=e[i].to;
			if(!vis[id] && dis[cur]+e[i].val < dis[id])
			{
				dis[id]=dis[cur]+e[i].val;
				q.push(point(id,dis[id]));
			}
		}		
	}
}



二、SPFA(bellman-ford)

SPFA是bellman-ford的改進演算法(佇列實現),效率也更高,故直接介紹SPFA。
相比於Dijkstra,SPFA可以計算帶負環的迴路。
鄰接表的複雜度為:O(kE)E為邊數,k一般為2或3

(一)原理過程:


bellman-ford演算法的基本思想是,對圖中除了源頂點s外的任意頂點u,依次構造從s到u的最短路徑長度序列dist[u],dis2[u]……dis(n-1)[u],其中n是圖G的頂點數,dis1[u]是從s到u的只經過1條邊的最短路徑長度,dis2[u]是從s到u的最多經過G中2條邊的最短路徑長度……當圖G中沒有從源可達的負權圖時,從s到u的最短路徑上最多有n-1條邊。因此,
dist(n-1)[u]就是從s到u的最短路徑長度,顯然,若從源s到u的邊長為e(s,u),則dis1[u]=e(s,u).對於k>1,dis(k)[u]滿足如下遞迴式,dis(k)[u]=min{dis(k-1)[v]+e(v,u)}.bellman-ford最短路徑就是按照這個遞迴式計算最短路的。
SPFA的實現如下:用陣列dis記錄更新後的狀態,cnt記錄更新的次數,佇列q記錄更新過的頂點,演算法依次從q中取出待更新的頂點v,按照dis(k)[u]的遞迴式計算。在計算過程中,一旦發現頂點K有cnt[k]>n,說明有一個從頂點K出發的負權圈,此時沒有最短路,應終止演算法。否則,佇列為空的時候,演算法得到G的各頂點的最短路徑長度。

(二)實現:

void SPFA(int s)  
{  
    for(int i=0;i<n;i++)  
        dis[i]=INF;  
  
    bool vis[MAXN]={0};  
      
    vis[s]=true;  
    dis[s]=0;  
      
    queue<int> q;  
    q.push(s);  
    while(!q.empty())  
    {  
        int cur=q.front();  
        q.pop();  
        vis[cur]=false;  
        for(int i=0;i<n;i++)  
        {  
            if(dis[cur] + map[cur][i] < dis[i])  
            {  
                dis[i]=dis[cur] + map[cur][i];  
                if(!vis[i])  
                {  
                    q.push(i);  
                    vis[i]=true;  
                }  
            }             
        }  
    }  
}  


void spfa(int s)
{
	memset(vis,0,sizeof(vis));
	for(int i=0;i<n;i++)
		dis[i]=INF;	

	queue<int> q;
	q.push(s);
	vis[s]=true;
	dis[s]=0;
	while(!q.empty())
	{
		int cur=q.front();
		q.pop();
		vis[cur]=false;
		for(int i=head[cur];i!=-1;i=e[i].next)
		{
			int id=e[i].to;
			if(dis[id] > dis[cur]+e[i].val)
			{
				dis[id] = dis[cur] + e[i].val;
				if(!vis[id])
				{
					vis[id]=true;
					q.push(id);
				}
			}
		}
	}
}

3.上面的兩個都沒有對負圈的判斷,因為題目的限制就是正的。判斷負環程式碼如下:以(ZOJ 2770 Burn the Linked Camp 差分約束)為例
bool spfa()  
{  
    for(int i=0;i<=n;i++)  
        dis[i]=INF;  
  
    bool vis[MAXN]={0};  
    int cnt[MAXN]={0};  
    queue<int> q;  
    dis[0]=0;  
    vis[0]=true;  
    cnt[0]=1;  
    q.push(0);  
  
    while(!q.empty())  
    {  
        int cur=q.front();  
        q.pop();  
        vis[cur]=false;  
  
        for(int i=head[cur];i!=-1;i=e[i].next)  
        {  
            int id=e[i].to;  
            if(dis[cur] + e[i].val > dis[id])  
            {  
                dis[id]=dis[cur]+e[i].val;  
                if(!vis[id])  
                {  
                    cnt[id]++;  
                    if(cnt[cur] > n)  
                        return false;  
                    vis[id]=true;  
                    q.push(id);  
                }  
            }  
        }  
    }  
    return true;  
} 

(三):優化

SLF(Small Label First)是指在入隊時如果當前點的dist值小於隊首, 則插入到隊首, 否則插入到隊尾。
LLL不太常用,我也沒研究。

(四)應用:

眼見的同學應該發現了,上面的差分約束四個字,是的SPFA可以很好的實現差分約束系統。

三、floyd

全稱Floyd-Warshall。記得離散數學裡面有Warshall演算法,用來計算傳遞閉包。而資料結構每次都簡稱floyd,當時就覺得兩個都差不多,有神馬關係,後來google一下發現是同一個演算法。。。。改個名字出來走江湖啊!!!!!
這個演算法用於求所有點對的最短距離。比呼叫n次dijkstra的優點在於程式碼簡單。
時間複雜度為O(n^3)

(一)原理過程:

這是一個dp(動態規劃的過程)
dis[i][j]=min(dis[i][j],dis[i][k]+dis[k][j]);
即從頂點i到j且經過頂點k的最短路徑長度。

(二)實現:

void floyd()
{
    for(int k=0;k<n;k++)
		for(int i=0;i<n;i++)
			for(int j=0;j<n;j++)
				dis[i][j]=min(dis[i][j],dis[i][k]+dis[k][j]);
}




四、其他

如走迷宮經常用的BFS,以一個點出發,向外擴散。

如:

UVA 10047 - TheMonocycle BFS

HDU 1728逃離迷宮 BFS

POJ3984迷宮問題 BFS

UVA 11624 - Fire!圖BFS



除了上面的

HDU 1874暢通工程續 SPFA || dijkstra||floyd

還有:

UVA11280 - Flying to Fredericton SPFA變形

UVA11090 - Going in Cycle!! SPFA

UVA10917 Walk Through the Forest SPFA

POJ 3259Wormholes鄰接表的SPFA判斷負權迴路

POJ 1932XYZZY (ZOJ 1935)SPFA+floyd

UVA11374 Airport Express SPFA||dijkstra

 

UVA11367 - Full Tank? dijkstra+DP

 POJ 1511Invitation Cards (ZOJ 2008)使用優先佇列的dijkstra

POJ 3268Silver Cow Party (Dijkstra~)

POJ 2387Til the Cows Come Home (Dijkstra)

UVA10603 - Fill BFS~

 



相關文章