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弗洛伊德演算法

Floyd-Warshall演算法,簡稱Floyd演算法,用於求解任意兩點間的最短距離,時間複雜度為O(n^3)。我們平時所見的Floyd演算法的一般形式如下: 1 void Floyd(){
2 int i,j,k;
3 for(k=1;k<=n;k++)
4 for(i=1;i<=n;i++)
5 for(j=1;j<=n;j++)
6 if(dist[i][k]+dist[k][j]<dist[i][j])
7                     dist[i][j]=dist[i][k]+dist[k][j];
8 }

  注意下第6行這個地方,如果dist[i][k]或者dist[k][j]不存在,程式中用一個很大的數代替。最好寫成if(dist[i][k]!=INF && dist[k][j]!=INF && dist[i][k]+dist[k][j]<dist[i][j]),從而防止溢位所造成的錯誤。
  上面這個形式的演算法其實是Floyd演算法的精簡版,而真正的Floyd演算法是一種基於DP(Dynamic Programming)的最短路徑演算法。
  設圖G中n 個頂點的編號為1到n。令c [i, j, k]表示從i 到j 的最短路徑的長度,其中k 表示該路徑中的最大頂點,也就是說c[i,j,k]這條最短路徑所通過的中間頂點最大不超過k。因此,如果G中包含邊<i, j>,則c[i, j, 0] =邊<i, j> 的長度;若i= j ,則c[i,j,0]=0;如果G中不包含邊<i, j>,則c (i, j, 0)= +∞。c[i, j, n] 則是從i 到j 的最短路徑的長度。
  對於任意的k>0,通過分析可以得到:中間頂點不超過k 的i 到j 的最短路徑有兩種可能:該路徑含或不含中間頂點k。若不含,則該路徑長度應為c[i, j, k-1],否則長度為 c[i, k, k-1] +c [k, j, k-1]。c[i, j, k]可取兩者中的最小值。
  狀態轉移方程:c[i, j, k]=min{c[i, j, k-1], c [i, k, k-1]+c [k, j, k-1]},k>0。
  這樣,問題便具有了最優子結構性質,可以用動態規劃方法來求解。

  為了進一步理解,觀察上面這個有向圖:若k=0, 1, 2, 3,則c[1,3,k]= +∞;c[1,3,4]= 28;若k = 5, 6, 7,則c [1,3,k] = 10;若k=8, 9, 10,則c[1,3,k] = 9。因此1到3的最短路徑長度為9。  下面通過程式來分析這一DP過程,對應上面給出的有向圖:  1 #include <iostream> 2 usingnamespace std;
 3  4 constint INF =100000;
 5 int n=10,map[11][11],dist[11][11][11];
 6 void init(){
 7 int i,j;
 8 for(i=1;i<=n;i++)
 9 for(j=1;j<=n;j++)
10             map[i][j]=(i==j)?0:INF;
11     map[1][2]=2,map[1][4]=20,map[2][5]=1;
12     map[3][1]=3,map[4][3]=8,map[4][6]=6;
13     map[4][7]=4,map[5][3]=7,map[5][8]=3;
14     map[6][3]=1,map[7][8]=1,map[8][6]=2;
15     map[8][10]=2,map[9][7]=2,map[10][9]=1;
16 }
17 void floyd_dp(){
18 int i,j,k;
19 for(i=1;i<=n;i++)
20 for(j=1;j<=n;j++)
21             dist[i][j][0]=map[i][j];
22 for(k=1;k<=n;k++)
23 for(i=1;i<=n;i++)
24 for(j=1;j<=n;j++){
25                 dist[i][j][k]=dist[i][j][k-1];
26 if(dist[i][k][k-1]+dist[k][j][k-1]<dist[i][j][k])
27                     dist[i][j][k]=dist[i][k][k-1]+dist[k][j][k-1];
28             }
29 }
30 int main(){
31 int k,u,v;
32     init();
33     floyd_dp();
34 while(cin>>u>>v,u||v){
35 for(k=0;k<=n;k++){
36 if(dist[u][v][k]==INF) cout<<"+∞"<<endl;
37 else cout<<dist[u][v][k]<<endl;
38         }
39     }
40 return0;
41 }

  輸入 1 3
  輸出 +∞
            +∞
            +∞
            +∞
            28
            10
            10
            10
            9
            9
            9

  Floyd-Warshall演算法不僅能求出任意2點間的最短路徑,還可以儲存最短路徑上經過的節點。下面用精簡版的Floyd演算法實現這一過程,程式中的圖依然對應上面的有向圖。

 1 #include <iostream> 2 usingnamespace std;
 3  4 constint INF =100000;
 5 int n=10,path[11][11],dist[11][11],map[11][11];
 6 void init(){
 7 int i,j;
 8 for(i=1;i<=n;i++)
 9 for(j=1;j<=n;j++)
10             map[i][j]=(i==j)?0:INF;
11     map[1][2]=2,map[1][4]=20,map[2][5]=1;
12     map[3][1]=3,map[4][3]=8,map[4][6]=6;
13     map[4][7]=4,map[5][3]=7,map[5][8]=3;
14     map[6][3]=1,map[7][8]=1,map[8][6]=2;
15     map[8][10]=2,map[9][7]=2,map[10][9]=1;
16 }
17 void floyd(){
18 int i,j,k;
19 for(i=1;i<=n;i++)
20 for(j=1;j<=n;j++)
21             dist[i][j]=map[i][j],path[i][j]=0;
22 for(k=1;k<=n;k++)
23 for(i=1;i<=n;i++)
24 for(j=1;j<=n;j++)
25 if(dist[i][k]+dist[k][j]<dist[i][j])
26                     dist[i][j]=dist[i][k]+dist[k][j],path[i][j]=k;
27 }
28 void output(int i,int j){
29 if(i==j) return;
30 if(path[i][j]==0) cout<<j<<'';
31 else{
32         output(i,path[i][j]);
33         output(path[i][j],j);
34     }
35 }
36 int main(){
37 int u,v;
38     init();
39     floyd();
40 while(cin>>u>>v,u||v){
41 if(dist[u][v]==INF) cout<<"No path"<<endl;
42 else{
43             cout<<u<<'';
44             output(u,v);
45             cout<<endl;
46         }
47     }
48 return0;
49 }

  輸入 1 3                    
  輸出 1 2 5 8 6 3

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