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Bellman-ford(貝爾曼-福特演算法)解析

Dijkstra演算法是處理單源最短路徑的有效演算法,但它侷限於邊的權值非負的情況,若圖中出現權值為負的邊,Dijkstra演算法就會失效,求出的最短路徑就可能是錯的。

這時候,就需要使用其他的演算法來求解最短路徑,Bellman-Ford演算法就是其中最常用的一個。該演算法由美國數學家理查德貝爾曼(Richard Bellman, 動態規劃的提出者)和小萊斯特福特(Lester Ford)發明。

適用條件&範圍:

單源最短路徑(從源點s到其它所有頂點v);

有向圖&無向圖(無向圖可以看作(u,v),(v,u)同屬於邊集E的有向圖);

邊權可正可負(如有負權迴路輸出錯誤提示

);

差分約束系統;

Bellman-Ford演算法的虛擬碼如下:
  BELLMAN-FORD(G,w,s)

   Initialize-single-sourse(G,s)//初始化原點d[s]=0,其餘所有頂點d[v]=無窮大,pi[v]=NIL

  for i=1 to | V[G] |-1

     for each edge (u,v)屬於E[G]

             do RELAX(u,v,w)  //   O(V*E) 次鬆弛後,d[v] 為最短路徑值

  for each edge (u,v)屬於E[G]

    if  d[v]>d[u]+w(u,v)        //對所有邊,若 d[v]>d[u]+w(u,v) ,則 d[v] 不是最短,存在可達的負權迴路

         then return FALSE

 return TRUE

可知,Bellman-Ford演算法尋找單源最短路徑的時間複雜度為O(V*E).

BellmanFord演算法可以大致分為三個部分
第一,初始化所有點。每一個點儲存一個值,表示從原點到達這個點的距離,將原點的值設為0,其它的點的值設為無窮大(表示不可達)。
第二,進行迴圈,迴圈下標為從1n1n等於圖中點的個數)。在迴圈內部,遍歷所有的邊,進行鬆弛計算。
第三,遍歷途中所有的邊(edgeuv)),判斷是否存在這樣情況:
dv) > d (u) + w(u,v)
則返回false,表示途中存在從源點可達的權為負的迴路。


 
之所以需要第三部分的原因,是因為,如果存在從源點可達的權為負的迴路。則 應為無法收斂而導致不能求出最短路徑。 

測試程式碼如下:(下面為有向圖的Bellman-Ford演算法。。。。。)

  1. #include<iostream>
  2. #include<cstdio>
  3. usingnamespace std;  
  4. #define MAX 0x3f3f3f3f
  5. #define N 1010
  6. int nodenum, edgenum, original; //點,邊,起點
  7. typedefstruct Edge //邊
  8. {  
  9.     int u, v;  
  10.     int cost;  
  11. }Edge;  
  12. Edge edge[N];  
  13. int dis[N], pre[N];  
  14. bool Bellman_Ford()  
  15. {  
  16.     for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //初始化
  17.         dis[i] = (i == original ? 0 : MAX);  
  18.     for(int i = 1; i <= nodenum - 1; ++i)  
  19.         for(int j = 1; j <= edgenum; ++j)  
  20.             if(dis[edge[j].v] > dis[edge[j].u] + edge[j].cost) //鬆弛(順序一定不能反~)
  21.             {  
  22.                 dis[edge[j].v] = dis[edge[j].u] + edge[j].cost;  
  23.                 pre[edge[j].v] = edge[j].u;  
  24.             }  
  25.             bool flag = 1; //判斷是否含有負權迴路
  26.             for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)  
  27.                 if(dis[edge[i].v] > dis[edge[i].u] + edge[i].cost)  
  28.                 {  
  29.                     flag = 0;  
  30.                     break;  
  31.                 }  
  32.                 return flag;  
  33. }  
  34. void print_path(int root) //列印最短路的路徑(反向)
  35. {  
  36.     while(root != pre[root]) //前驅
  37.     {  
  38.         printf("%d-->", root);  
  39.         root = pre[root];  
  40.     }  
  41.     if(root == pre[root])  
  42.         printf("%d\n", root);  
  43. }  
  44. int main()  
  45. {  
  46.     scanf("%d%d%d", &nodenum, &edgenum, &original);  
  47.     pre[original] = original;  
  48.     for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)  
  49.     {  
  50.         scanf("%d%d%d", &edge[i].u, &edge[i].v, &edge[i].cost);  
  51.     }  
  52.     if(Bellman_Ford())  
  53.         for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //每個點最短路
  54.         {  
  55.             printf("%d\n", dis[i]);  
  56.             printf("Path:");  
  57.             print_path(i);  
  58.         }  
  59.     else
  60.         printf("have negative circle\n");  
  61.     return 0;  
  62. }