16、最短路径和受限最短路径计算的加速方法

最短路径和受限最短路径计算的加速方法

1. 引言

在图论中,最短路径问题是一个经典的问题,旨在找到从起点 $s$ 到终点 $t$ 的最短路径。而受限最短路径问题则在此基础上增加了一个约束条件,即路径上所有弧的成本之和不能超过给定的成本界限 $C_{s,t}$。本文将介绍几种加速最短路径和受限最短路径计算的方法。

2. 基础算法

2.1 Dijkstra 算法

Dijkstra 算法是计算最短路径的经典算法。它从起点 $s$ 开始,逐步计算到所有可达节点 $u$ 的距离标签 $d_s(u)$,直到确定 $d_s(t)$ 为止。算法维护一个初步距离 $d_s(v)$ 以及一个集合 $S$,集合 $S$ 中的节点到起点 $s$ 的最终最短路径距离已经确定,即 $d_s(v) = dist_s(v)$。

算法步骤如下:
1. 初始化 $d_s(s) = 0$,并将 $s$ 插入集合 $S$。
2. 重复扫描不在 $S$ 中的节点 $u$,按照距离标签 $d_s(u)$ 非递减的顺序进行。
3. 将 $u$ 插入集合 $S$,并更新所有与 $u$ 相邻且 $(u, w) \in A$ 的节点 $w$ 的标签。
4. 如果 $d_s(u) + \ell(u, w) < d_s(w)$,则将 $d_s(w)$ 更新为 $d_s(u) + \ell(u, w)$。

2.2 双向搜索

双向搜索是同时从起点 $s$ 和终点 $t$ 开始进行 Dijkstra 算法。在反向图(即每条弧都反向的图)中从 $t$ 开始计算到各节点的距离 $dist_t(u)$。双向搜索

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