BellmanFord算法

本文详细介绍了BellmanFord算法用于解决单源最短路径问题,包括其时间复杂度、工作原理以及如何通过迭代计算不同边数限制下的最短路径,同时讨论了检测负权值环的方法。

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/*
 BellmanFord 算法用于解决单源最短路径问题(相比迪杰斯特拉,它可以解决带负权值的有向图)
 BellmanFord 算法一共会遍历 n-1 次,每次都会对所有的边进行一次松弛操作,因此时间复杂度是 N * E
 迭代次数是有实际意义的:比如一共迭代了 k 次,那么此时求的是从源点到第 i 个节点,经过的边不超过k条时的最短距离
                     从源点到其他顶点不超过一条边时的最短距离;从源点到其他顶点不超过两条边时的最短距离,以此类推依此类推
 一共 n - 1 次循环,每次循环对所有的边进行一遍松弛操作:
       对所有边进行一次松弛操作,就求出了从源点到所有点,经过的边数最多为 1 的最短路径
       对所有边进行两次松弛操作,就求出了源点到所有点,经过的边数最多为 2 的最路径
       ....
       对所有边进行 n-1 次松弛操作,就求出了源点到所有点,经过的边数最多为 n-1 的最短路径
例题: ACWing 853 有边数限制的最短路
 */

public class Main {
    static class Edge{
        int from;
        int to;
        int weight;
        public Edge(int from, int to, int weight){
            this.from = from;
            this.to = to;
            this.weight = weight;
        }
    }
    public static final int N = 10000; // 表示不可达
    public static void main(String[] args) {
        int[][] map = {
                {N, -3, N, N, 5},
                {N, N, 2, N, N},
                {N, N, N, 3, N},
                {N, N, N, N, 2},
                {N, N, N, N, N}
        };
        bellmanFord(map, 0);
    }
    // 求从 source 到其他结点的最短路径长度。
    public static void bellmanFord(int[][] map, int source) {
        List<Edge> edges = new ArrayList<>(); // 存放图中的所有边
        for(int i = 0; i < map.length; i++){
            for(int j = 0; j < map.length; j++){
                if(map[i][j] != N){
                    edges.add(new Edge(i, j, map[i][j]));
                }
            }
        }

        int[] shortest = new int[map.length]; // 存储 source 到 i 的最短路径长度,初始化时 source 到其它顶点之间的距离为无穷大
        Arrays.fill(shortest, N);
        shortest[source] = 0;

        /* 一共 n - 1 次循环,每次循环对所有的边进行一遍松弛操作
               对所有边进行一次松弛操作,就求出了从源点到所有点,经过的边数最多为 1 的最短路径
               对所有边进行两次松弛操作,就求出了源点到所有点,经过的边数最多为 2 的最路径
               ....
               对所有边进行 n-1 次松弛操作,就求出了源点到所有点,经过的边数最多为 n-1 的最短路径
           迭代次数是有实际意义的:比如一共迭代了 k 次,那么此时求的是从源点到第 i 个节点,经过的边不超过k条时的最短距离
                               从源点到其他顶点不超过一条边时的最短距离;从源点到其他顶点不超过两条边时的最短距离,以此类推依此类推
         */
        for (int i = 1; i < map.length; i ++ ) {
            int[] back = Arrays.copyOf(shortest, shortest.length); // 防止串联的情况发生,如:v1->v2权值1   v1->v3权值3   v2->v3权值1
            for (Edge edge : edges) {
                int from = edge.from, to = edge.to, weight = edge.weight;
                if (shortest[to] > back[from] + weight){
                    shortest[to] = back[from] + weight;
                }
            }
        }

        boolean flag = false;
        // 判断给定图中是否存在负权值环。如果在第n次迭代的时候仍然会去松弛某条边,那么就说明图中有源点可达的负环
        for (Edge edge : edges) {
            int from = edge.from, to = edge.to, weight = edge.weight;
            if (shortest[to] > shortest[from] + weight){
                flag = true;
                break;
            }
        }
        if(flag){
            System.out.println("图中存在负权重环");
        }else{
            System.out.println(Arrays.toString(shortest));
        }
    }
}
### Bellman-Ford算法的实现与原理 #### 原理说明 Bellman-Ford算法的核心思想在于逐步松弛每条边,从而更新从源节点到目标节点的最短路径估计值。初始状态下,除了源节点外的所有节点的距离被设为无穷大。随后,在最多 \( |V| - 1 \) 迭代中,每遍历所有的边并对它们进行松弛操作。如果某迭代后仍然能够进一步减少某个节点的距离,则表明图中存在负权环[^5]。 此外,该算法的一个显著特点是它可以处理带有负权边的图结构,这是许多其他最短路径算法具备的能力[^1]。 #### 算法伪代码 以下是Bellman-Ford算法的一种常见实现方式: ```python def bellman_ford(graph, source): # 初始化距离数组 distance = {node: float('inf') for node in graph} predecessor = {node: None for node in graph} distance[source] = 0 # 进行 V-1 松弛操作 for _ in range(len(graph) - 1): for u in graph: for v, weight in graph[u]: if distance[u] + weight < distance[v]: distance[v] = distance[u] + weight predecessor[v] = u # 检测负权环 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, predecessor ``` 在此代码片段中,`graph` 是一个邻接表表示的加权有向图,其中 `graph[u]` 表示从节点 `u` 出发的所有边及其对应的权重列表[(v1, w1), (v2, w2)...]。函数最终返回两个字典:一个是记录各节点最短路径长度的 `distance` 字典;另一个是记录前驱节点以便重建路径的 `predecessor` 字典[^3]。 #### 局限性和改进建议 尽管Bellman-Ford算法功能强大,但它的时间复杂度较高,达到 \( O(|V||E|) \),这使得它在大规模稀疏图上的表现如Dijkstra等基于优先队列的方法高效。为了提高效率,可以引入SPFA(Shortest Path Faster Algorithm),这是一种利用队列优化的版本,通常能更快收敛于解集[^4]。 ---
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