最短路算法 bellman-Ford

本文深入探讨Bellman-Ford算法,一种用于解决单源最短路径问题的算法,尤其适用于处理包含负权边的图。文章详细解释了算法原理,包括如何通过n-1次迭代确保覆盖所有节点,以及如何检测图中是否存在负权重环路。
bellman-Ford和迪杰斯特拉算法一样,都是用来解决单源最短路问题的,不过迪杰斯特拉是围绕展开的,而bellman-Ford则是围绕展开的。更重要的是,bellman-Ford可以处理负边,可以判断是否存在负环

算法原理:

  • 求最短距离:在一个n个点的图中,无论有多少条边,最多经过n-1次(类似bfs的层级)扩展就肯定可以遍历到所有点。
  • 判断负环:如果经过n-1次扩展之后,存在一条边,经过该边还能进行松弛操作,说明存在负环。

理解了算法原理,那么代码就不难理解了,好好看一遍应该不难

int m, n;
struct node
{
    int x, y, w;
} p[MAX * 2];
int ct = 1;
int d[MAX];

int bellman_ford()
{
    fill(d, d + n + 1, INF);
    d[1] = 0;
    for (int i = 1; i <= n - 1; i++)
    {
        int ff = 0;
        for (int j = 1; j < ct; j++)
        {
            if (d[p[j].x] > d[p[j].y] + p[j].w)
            {
                d[p[j].x] = d[p[j].y] + p[j].w;
                ff = 1;
            }
        }
        if (!ff)
            break;
    }
    for (int j = 1; j < ct; j++)
        if (d[p[j].x] > d[p[j].y] + p[j].w)
            return 0;
    return 1;
}
int main()
{
    cin >> m >> n;
    for (int i = 1; i <= m; i++)
    {
        int a, b, c;
        cin >> a >> b >> c;
        p[ct].x = a;
        p[ct].y = b;
        p[ct++].w = c;
        p[ct].x = b;
        p[ct].y = a;
        p[ct++].w = c;
    }
    if (bellman_ford())
        cout << "NO\n";
    else
        cout << "YES\n";
    return 0;
}
### Bellman-Ford算法单源短路问题的实现与分析 Bellman-Ford算法是一种用于解决单源短路径问题的经典算法,能够处理带负权边的图。该算法的核心思想是通过松弛操作逐步更新从源点到其他所有顶点的距离,直到达到优解。以下是关于Bellman-Ford算法的具体实现和分析[^1]。 #### 算法原理 Bellman-Ford算法的基本原理是基于动态规划的思想。它通过多执行 \(n-1\) 次松弛操作(其中 \(n\) 是图中顶点的数量),确保从源点到所有顶点的短路径被正确计算。每次松弛操作都会遍历图中的所有边,并尝试更新当前已知的短路径距离。如果在第 \(n-1\) 次迭代后仍然可以更新某些顶点的距离,则说明图中存在负权环[^2]。 #### 算法实现 以下是Bellman-Ford算法的伪代码及其实现: ```python def bellman_ford(graph, source): # 初始化距离数组,将所有顶点的距离设为无穷大,源点距离设为0 distance = {node: float('inf') for node in graph} distance[source] = 0 # 图中顶点数 n = len(graph) # 进行n-1次松弛操作 for _ in range(n - 1): for u in graph: for v, weight in graph[u]: if distance[u] + weight < distance[v]: distance[v] = distance[u] + weight # 检查是否存在负权环 for u in graph: for v, weight in graph[u]: if distance[u] + weight < distance[v]: raise ValueError("Graph contains a negative-weight cycle") return distance ``` #### 陈越与浙江大学的相关研究 陈越教授及其团队在浙江大学讲授的数据结构与算法课程中,对Bellman-Ford算法进行了深入讲解。课程中强调了Bellman-Ford算法的优势在于能够处理带有负权边的图,但其时间复杂度较高,为 \(O(n \cdot m)\),其中 \(n\) 是顶点数,\(m\) 是边数。因此,在实际应用中,若图中不存在负权边,通常会优先选择Dijkstra算法以提高效率。 此外,陈越教授还提到了Bellman-Ford算法的一种优化方法——队列优化(SPFA算法)。该方法通过维护一个队列来减少不必要的松弛操作次数,从而在大多数情况下显著提升性能[^2]。 #### 算法分析 Bellman-Ford算法的时间复杂度为 \(O(n \cdot m)\),空间复杂度为 \(O(n)\)。尽管其时间复杂度较高,但它具有以下优势: 1. 能够处理带负权边的图。 2. 可以检测图中是否存在负权环。 然而,对于大规模稀疏图,Bellman-Ford算法可能显得效率较低。此时,可以考虑使用Dijkstra算法或其变种(如堆优化版)[^1]。 #### 示例应用 以下是一个具体的例子,展示如何使用Bellman-Ford算法求解单源短路径问题。 假设图的邻接表表示如下: ```python graph = { 'A': [('B', 1), ('C', 4)], 'B': [('C', 2), ('D', 6)], 'C': [('D', 3)], 'D': [] } ``` 调用 `bellman_ford(graph, 'A')` 将返回从顶点 `'A'` 到其他所有顶点的短路径距离。 #### 注意事项 在实际应用中,需要特别注意图中是否存在负权环。若存在负权环,则无法计算出有效的短路径。
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