Bellman-Ford算法

本文详细介绍Bellman-Ford算法的实现原理与过程,通过C++代码实例展示如何解决带负权重边的最短路径问题,并检查是否存在负环路。
/*
* About:  Bellman-Ford算法
* Author: Tanky Woo
* Blog:   www.WuTianqi.com
*/
 
#include <iostream>
using namespace std;
const int maxnum = 100;
const int maxint = 99999;
 
// 边,
typedef struct Edge{
    int u, v;    // 起点,重点
    int weight;  // 边的权值
}Edge;
 
Edge edge[maxnum];     // 保存边的值
int  dist[maxnum];     // 结点到源点最小距离
 
int nodenum, edgenum, source;    // 结点数,边数,源点
 
// 初始化图
void init()
{
    // 输入结点数,边数,源点
    cin >> nodenum >> edgenum >> source;
    for(int i=1; i<=nodenum; ++i)
        dist[i] = maxint;
    dist[source] = 0;
    for(int i=1; i<=edgenum; ++i)
    {
        cin >> edge[i].u >> edge[i].v >> edge[i].weight;
        if(edge[i].u == source)          //注意这里设置初始情况
            dist[edge[i].v] = edge[i].weight;
    }
}
 
// 松弛计算
void relax(int u, int v, int weight)
{
    if(dist[v] > dist[u] + weight)
        dist[v] = dist[u] + weight;
}
 
bool Bellman_Ford()
{
    for(int i=1; i<=nodenum-1; ++i)
        for(int j=1; j<=edgenum; ++j)
            relax(edge[j].u, edge[j].v, edge[j].weight);
    bool flag = 1;
    // 判断是否有负环路
    for(int i=1; i<=edgenum; ++i)
        if(dist[edge[i].v] > dist[edge[i].u] + edge[i].weight)
        {
            flag = 0;
            break;
        }
    return flag;
}
int main()
{
    //freopen("input3.txt", "r", stdin);
    init();
    if(Bellman_Ford())
        for(int i = 1 ;i <= nodenum; i++)
            cout << dist[i] << endl;
    return 0;
}

Bellman - ford算法是求含负权的单最短路径的一种算法,由美国数学家理查德•贝尔曼(Richard Bellman,动态规划的提出者)和小莱斯特•福特(Lester Ford)发明,其效率较低,代码难度较小[^2][^3]。 该算法与Dijkstra算法思想一样,用于求解单点最短路径问题。除了可求解边权均非负的问题外,还可以解决存在负权边的问题,而Dijkstra算法只能处理边权非负的问题,因此Bellman - Ford算法的适用面要广泛一些。不过,原始的Bellman - Ford算法时间复杂度为O(VE),比Dijkstra算法的时间复杂度高,但有多种形式的优化实现,这些优化实现在时间效率上得到相当提升,例如SPFA(Shortest - Path Faster Algorithm更快的最短路径算法算法的时间效率甚至优于Dijkstra算法[^1]。 Bellman - ford算法的原理为连续进行松弛,在每次松弛时把每条边都更新一下,若在n - 1次松弛后还能更新,则说明中有负环,因此无法得出结果,否则就完成[^3]。 以下是该算法的代码示例: ```cpp #include <iostream> #include <cstring> using namespace std; const int N=510,M=1e4+10,INF=0x3f3f3f3f; struct Edge{ int u,v,w; }edges[M]; int d[N],backup[N]; int n,m,k; int Bellman_ford(){ memset(d,0x3f,sizeof d); d[1]=0; for(int i=0;i<k;i++){ memcpy(backup,d,sizeof d);//备份数组 for(int j=0;j<m;j++){ int u=edges[j].u,v=edges[j].v,w=edges[j].w; d[v]=min(d[v],backup[u]+w); } } if(d[n]>INF/2) return -1; /* 此处不能写d[n]==INF */ return d[n]; } int main(){ cin>>n>>m>>k; for(int i=0;i<m;i++){ int u,v,w; cin>>u>>v>>w; edges[i]={u,v,w}; } int t=Bellman_ford(); if(t==-1) puts("impossible"); else printf("%d",t); return 0; } ```
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