解决最短路径问题之迪杰斯特拉(Dijkstra)算法 (距离+输出路径)

最新推荐文章于 2022-03-23 15:13:46 发布

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#Dijkstra #算法 #离散数学 #图论 #最短路径

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带权图

为了研究最短路径，首先引入带权边，带权图的概念：
设图G=<V,E>（无向图或有向图），给定W:E->R，对于G的每一条边e，称W(e）为边e的权，这样的图称为带权图，记为G=<V,E,W>.
当e=(u,v)或e=<u,v>时，把W(e)记作W(u,v).

设P是G中的一条通路，P中所有边的权之和称作P的长度，记作W(P）. 即W(P）= $∑\sum$ W(e) (e $∈\in$ E(p）).
类似地可以定义回路C的长度W(C）

最短路径

设带权图G=<V,E,W>,其中每一条边e的权W(e)为非负实数，对于V中任意两个顶点u，v，当uv连通时，称从u到v长度最短的路径为从u到v的最短路径，称其长度为从u到v的最短距离，记作d(u,v),约定d(u,u)=0,当u，v不连通时，d(u,v)= $∞\infty$
最短路径问题即是给定带权图G=<V,E,W>以及顶点u，v，其中每一条边的权都为非负实数，求u到v的最短路径。

我们可以看出：若u v1 v2 v3…vk是u到v的最短路径，则对每一个t（1<=t<=k)，u v1 v2 v3…vt是u到vt的最短路径。Dijkstra算法即是根据该条性质总结出的算法。

Dijkstra算法

附上教材给的过程，个人感觉还是有点难懂的：
算法给出了从给定某点s到每一个点的最短路径。在计算过程中，赋予每一个顶点v一个标号l（v)=(l1(v),l2(v))，标号分为永久标号与临时标号。在v的永久标号l（v)中，l2(v)是从s到v的距离，l1（v)是s到v的最短路径上v的前一个顶点，当l（v)是临时标号时，l1（v）和l2（v）分别是当前从s经过永久标号的顶点到v的最短路径上v的前一个顶点和这条路径的长度。
过程：
输入：带权图G<V,E,W>和s $∈\in$ V,其中|V|=n
输出：s到G中每一点的最短路径和距离
1.令ls<-(s,0),l(v)<-(s,+ $∞\infty$ ) (v $∈\in$ V-{s})，I<-1,l（s）是永久标号，其余标号均为临时标号,u<-s
2.for与u关联的临时标号的顶点v
3. if l2(u)+W(u,v)<l2(v) then 令l(v)<-(u,l2(v)+W(u,v))
4. 计算l2(t)=min{l2(v)|v $∈\in$ V且有临时标号}，并把l（s）改为永久标号
5. if i<n then 令u<-t,i<-i+1,重复第二步

分析：
需要分配的空间：
两个矩阵（二维数组）用于存放图和单源路径
两个一维数组存最短距离和访问标记
其他的一些数据
主要的思路个人感觉和贪心有点像，先找到源点可达的最短的路径，然后更新距离的数组，以到达的点为起点继续找最短路径，这样路径长度就能很简单地得到了。然后是路径输出，这个还想了一会儿，我的想法是用一个路径数组，每次判断距离数组要更新时，将记下的之前的最短路覆盖该路，然后再在末尾添加上新到达的结点。第一次初始化更新时需要同时初始化好路径数组的第一列和第二列（可达的项）。
上代码：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string.h>
using std::vector;
const int MAXN = 101;
const int INF = 0x3f3f3f3f;
//description:this is a template of Algorithm-Dijkstra
int min(int A,int B)
{
 if(A<B)return A;
 else return B; 
}//Get the min value
//
int m,n;
int visited[MAXN],Distance[MAXN];
int Matrix[MAXN][MAXN],Path[MAXN][MAXN];
//vector<int> Path[MAXN];
//define 1.VisitSign 2.temp Distance(min) 3.The Graph 4.path
// 
void CreateGraph()
{
 memset(Path,0,sizeof(Path));
 memset(Matrix,INF,sizeof(Matrix));
 int Estart,Eend,Weight;
 std::cin>>n>>m;//input vertexnum and edgenum
 for(int i=1;i<=m;i++)
 {
  std::cin>>Estart>>Eend>>Weight;
  Matrix[Estart][Eend]=Weight;
  Matrix[Eend][Estart]=Weight;
  //assume that it is a normal graph
 }
 for(int i=1;i<=n;i++)
 {
  Matrix[i][i]=0;
 }
}//Get the Graph
//
void PrintGraph()
{
 for(int i=1;i<=n;i++)
 {
  for(int j=1;j<=n;j++)
  {
   std::cout<<Matrix[i][j]<<" ";
  }
  std::cout<<"\n";
 }
}//print the graph to test
//
void Dijkstra(int st)
{
 memset(Distance,INF,sizeof(Distance));
 visited[st]=1;
 for(int i=1;i<=n;i++)
 {
  Path[i][1]=st;
  Distance[i]=min(Distance[i],Matrix[st][i]);
  if(Distance[i]==Matrix[st][i]&&i!=1)
  {
   Path[i][2]=i;//Initialize 
  }
 }
 for(int i=1;i<=n-1;i++)
 {
  int CurrentMinDis=INF;
  for(int j=1;j<=n;j++)
  {
   if(visited[j]==0&&CurrentMinDis>Distance[j])
   {
    CurrentMinDis=Distance[j];
    st=j;
   }
  }//find the minimum length path avaliable
  visited[st]=1;//sign "visited"
  for(int j=1;j<=n;j++)
  {
   if(Matrix[st][j]+Distance[st]<Distance[j])
   {
     for(int k=1;k<MAXN;k++)
     {
      Path[j][k]=Path[st][k];
      if(Path[st][k]==0)
      {
       Path[j][k]=j;
      break; 
      //update the path array
     }
     }
   }
   Distance[j]=min(Distance[j],Matrix[st][j]+Distance[st]);
   //update the distance array
  }
 }
}//Dijkstra Algorithm
//
int main()
{
/* vector<int>::iterator iter1;*/
 CreateGraph();
 PrintGraph();
 Dijkstra(1);
 for(int i=1;i<=n;i++)
 {
  std::cout<<Distance[i]<<" ";
 }
 std::cout<<std::endl;
 std::cout<<std::endl;
 for(int i=1;i<=n;i++)
 {
  for(int j=1;j<=n;j++)
  {
   if(Path[i][j]==0)
   {
    std::cout<<"end"<<std::endl;
    break; 
   }
   else
   {
    std::cout<<Path[i][j]<<"-";
   } 
  }
 }
 return 0;
}
弄了半个下午，好像路径输出上还是有点小问题，有时间再改改