有边数限制的最短路

本文介绍了在有限边数限制下求解最短路径问题的算法,主要讨论了如何通过调整Bellman-Ford算法来实现这一目标。在限制循环次数的基础上,避免局部深搜,确保算法的正确运行。此外,还提供了具体代码示例展示如何控制边数以解决此类问题。

有边数限制的最短路

在只能经过有限边数的限制之下,想要求出最短路问题使用的算法是Bellman-Ford算法

比如这题:853. 有边数限制的最短路 - AcWing题库

控制边数的方法是限制循环的次数,而不是像dijkstra算法那样讲所有的边都遍历一遍。但是有一点需要注意,由于结点的更新,可能会发生局部深搜。如图:

1
5
2
1
2
3

这样一个有向图,首先会更新2点的值,2的值被更新后就会继续更新3的值。为了防止这种事的发生,可以在所有值先复制到另一个数组中,用那个数组更新。

void bellman_ford()
{
    memset(dist,0x3f,sizeof dist);//存储每个结点距离的数组
    dist[1] = 0;
    
    for(int i = 0;i < k;i++) //循环k次,即边数限制次数
    {
        memcpy(d,dist,sizeof d);//将临时存储的数组赋值
        for(int j = 0;j < m;j++)
        {
            auto e = edge[j];
            dist[e.b] = min(dist[e.b],d[e.a] + e.c);
        }
    }
}

如此即可。

### 单源短路算法及其变种 对于单源短路径问题,经典的 Bellman-Ford 和 Dijkstra 算法常用的解决方法。然而,在某些情况下,可能需要对这些算法进行修改以满足特定约束条件,比如限制松弛操作的次。 #### Bellman-Ford 的变种 Bellman-Ford 算法的核心在于通过多 \( V-1 \) 轮迭代来更新节点的距离[^1]。如果希望限制松弛操作的总次,则可以通过提前终止循环的方式实现这一目标。具体来说: - 如果在某一轮迭代中没有任何距离被进一步优化,则可以立即停止后续计算。 - 这一特性使得 Bellman-Ford 成为一种动态调整松弛次的有效工具。 当明确限定松弛次时,可以在外层设置固定轮次的大值 \( k \),即使未达到收敛状态也强制结束运算。此时的结果将是基于有限步内的优解近似值[^2]。 ```python def limited_bellman_ford(graph, source, max_relaxations): n = len(graph) distances = [float('inf')] * n distances[source] = 0 relax_count = 0 for _ in range(max_relaxations): updated = False for u in range(n): for v, weight in graph[u]: if distances[u] + weight < distances[v]: distances[v] = distances[u] + weight updated = True if not updated or (relax_count >= max_relaxations): break relax_count += 1 return distances ``` #### Dijkstra 的变种 Dijkstra 算法通常用于无负权的情况,并依赖优先队列加速搜索过程。要引入松弛次限制的概念较为复杂,因为标准版本并不显式跟踪每条路径上的实际松弛目。不过有几种策略可考虑: 1. **扩展状态空间**:将当前顶点以及已使用的松弛量作为联合键存储于优先队列之中。这样每次选取小估计代价结点的同时还能记录剩余可用松弛机会。 2. **启发式剪枝**:利用 A* 类型的思想加入额外评估函指导探索方向,从而间接减少不必要的缘检测频率。 这两种方式都会增加内存消耗并可能导致运行效率下降,因此需谨慎选用场景适用性较高的方案[^3]。 ```python import heapq def constrained_dijkstra(graph, start_vertex, limit): queue = [(0,start_vertex,limit)] visited_with_limits = {} while queue: cost_so_far,node,left_quota=heapq.heappop(queue) key=(node,left_quota) if key not in visited_with_limits or \ visited_with_limits[key]>cost_so_far : visited_with_limits[key]=cost_so_far if left_quota>0: for neighbor,dist_to_neighbor in graph[node].items(): new_cost=cost_so_far+dist_to_neighbor heapq.heappush( queue,(new_cost, neighbor, left_quota-(neighbor!=start_vertex))) shortest_paths={k:v for k,v in visited_with_limits.items() if k[1]==limit} return shortest_paths ``` 以上两种改进均提供了针对不同需求下处理带约束SSSP问题的可能性。但需要注意的是它们各自存在局限性和性能折衷之处应视具体情况而定佳实践途径[^4].
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