图论14-最短路径-Dijkstra算法+Bellman-Ford算法+Floyed算法

文章目录

  • [0 代码仓库](#0 代码仓库)
  • [1 Dijkstra算法](#1 Dijkstra算法)
  • [2 Dijkstra算法的实现](#2 Dijkstra算法的实现)
    • [2.1 设置距离数组](#2.1 设置距离数组)
    • [2.2 找到当前路径的最小值 curdis,及对应的该顶点cur](#2.2 找到当前路径的最小值 curdis,及对应的该顶点cur)
    • [2.3 更新权重](#2.3 更新权重)
    • [2.4 其他接口](#2.4 其他接口)
      • [2.4.1 判断某个顶点的连通性](#2.4.1 判断某个顶点的连通性)
      • [2.4.2 求源点s到某个顶点的最短路径](#2.4.2 求源点s到某个顶点的最短路径)
  • 3使用优先队列优化-Dijkstra算法
    • [3.1 设计内部类node](#3.1 设计内部类node)
    • [3.2 入队](#3.2 入队)
    • [3.3 记录路径](#3.3 记录路径)
    • [3.4 整体](#3.4 整体)
  • [4 Bellman-Ford算法](#4 Bellman-Ford算法)
    • [4.1 松弛操作](#4.1 松弛操作)
    • [4.2 负权环](#4.2 负权环)
    • [4.3 算法思想](#4.3 算法思想)
    • [4.4 进行V-1次松弛操作](#4.4 进行V-1次松弛操作)
    • [4.5 判断负权环](#4.5 判断负权环)
    • [4.6 整体](#4.6 整体)
  • [5 Floyed算法](#5 Floyed算法)
    • [5.1 设置记录两点最短距离的数组,并初始化两点之间的距离](#5.1 设置记录两点最短距离的数组,并初始化两点之间的距离)
    • [5.2 更新两点之间的距离](#5.2 更新两点之间的距离)

0 代码仓库

https://github.com/Chufeng-Jiang/Graph-Theory/tree/main/src/Chapter11_Min_Path

1 Dijkstra算法

2 Dijkstra算法的实现

2.1 设置距离数组

c 复制代码
//用于存储从源点到当前节点的距离,并初始化
dis = new int[G.V()];
Arrays.fill(dis, Integer.MAX_VALUE);
dis[s] = 0;

2.2 找到当前路径的最小值 curdis,及对应的该顶点cur

c 复制代码
int cur = -1, curdis = Integer.MAX_VALUE;

for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
    if(!visited[v] && dis[v] < curdis){
        curdis = dis[v];
        cur = v;
    }

2.3 更新权重

c 复制代码
visited[cur] = true;
for(int w: G.adj(cur))
   if(!visited[w]){
       if(dis[cur] + G.getWeight(cur, w) < dis[w])
           dis[w] = dis[cur] + G.getWeight(cur, w);
   }

2.4 其他接口

2.4.1 判断某个顶点的连通性

c 复制代码
public boolean isConnectedTo(int v){
    G.validateVertex(v);
    return visited[v];
}

2.4.2 求源点s到某个顶点的最短路径

c 复制代码
public int distTo(int v){
    G.validateVertex(v);
    return dis[v];
}

3使用优先队列优化-Dijkstra算法

3.1 设计内部类node

存放节点编号和距离

c 复制代码
    private class Node implements Comparable<Node>{

        public int v, dis;

        public Node(int v, int dis){
            this.v = v;
            this.dis = dis;
        }

        @Override
        public int compareTo(Node another){
            return dis - another.dis;
        }
    }

3.2 入队

c 复制代码
PriorityQueue<Node> pq = new PriorityQueue<Node>();

pq.add(new Node(s, 0));

这里的缺点就是,更新node时候,会重复添加节点相同的node,但是路径值不一样。不影响最后结果。

cpp 复制代码
while(!pq.isEmpty()){

    int cur = pq.remove().v;
    if(visited[cur]) continue;

    visited[cur] = true;
    for(int w: G.adj(cur))
        if(!visited[w]){
            if(dis[cur] + G.getWeight(cur, w) < dis[w]){
                dis[w] = dis[cur] + G.getWeight(cur, w);
                pq.add(new Node(w, dis[w]));
                pre[w] = cur;
            }
        }
}

3.3 记录路径

c 复制代码
private int[] pre;
  • 更新pre数组
c 复制代码
for(int w: G.adj(cur))
    if(!visited[w]){
        if(dis[cur] + G.getWeight(cur, w) < dis[w]){
            dis[w] = dis[cur] + G.getWeight(cur, w);
            pq.add(new Node(w, dis[w]));
            pre[w] = cur;
        }
    }
  • 输出路径
c 复制代码
    public Iterable<Integer> path(int t){

        ArrayList<Integer> res = new ArrayList<>();
        if(!isConnectedTo(t)) return res;

        int cur = t;
        while(cur != s){
            res.add(cur);
            cur = pre[cur];
        }
        res.add(s);

        Collections.reverse(res);
        return res;
    }

3.4 整体

c 复制代码
package Chapter11_Min_Path.Dijkstra_pq;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;
import java.util.PriorityQueue;


public class Dijkstra {

    private WeightedGraph G;
    private int s;
    private int[] dis;
    private boolean[] visited;
    private int[] pre;

    private class Node implements Comparable<Node>{

        public int v, dis;

        public Node(int v, int dis){
            this.v = v;
            this.dis = dis;
        }

        @Override
        public int compareTo(Node another){
            return dis - another.dis;
        }
    }

    public Dijkstra(WeightedGraph G, int s){

        this.G = G;

        G.validateVertex(s);
        this.s = s;

        dis = new int[G.V()];
        Arrays.fill(dis, Integer.MAX_VALUE);

        pre = new int[G.V()];
        Arrays.fill(pre, -1);

        dis[s] = 0;
        pre[s] = s;
        visited = new boolean[G.V()];

        PriorityQueue<Node> pq = new PriorityQueue<Node>();
        pq.add(new Node(s, 0));

        while(!pq.isEmpty()){

            int cur = pq.remove().v;
            if(visited[cur]) continue;

            visited[cur] = true;
            for(int w: G.adj(cur))
                if(!visited[w]){
                    if(dis[cur] + G.getWeight(cur, w) < dis[w]){
                        dis[w] = dis[cur] + G.getWeight(cur, w);
                        pq.add(new Node(w, dis[w]));
                        pre[w] = cur;
                    }
                }
        }
    }

    public boolean isConnectedTo(int v){

        G.validateVertex(v);
        return visited[v];
    }

    public int distTo(int v){

        G.validateVertex(v);
        return dis[v];
    }

    public Iterable<Integer> path(int t){

        ArrayList<Integer> res = new ArrayList<>();
        if(!isConnectedTo(t)) return res;

        int cur = t;
        while(cur != s){
            res.add(cur);
            cur = pre[cur];
        }
        res.add(s);

        Collections.reverse(res);
        return res;
    }

    static public void main(String[] args){

        WeightedGraph g = new WeightedGraph("g.txt");
        Dijkstra dij = new Dijkstra(g, 0);
        for(int v = 0; v < g.V(); v ++)
            System.out.print(dij.distTo(v) + " ");
        System.out.println();

        System.out.println(dij.path(3));
    }
}

4 Bellman-Ford算法

4.1 松弛操作

4.2 负权环

4.3 算法思想

4.4 进行V-1次松弛操作

c 复制代码
// 进行V-1次松弛操作
for(int pass = 1; pass < G.V(); pass ++){
    for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
        for(int w: G.adj(v))
            if(dis[v] != Integer.MAX_VALUE && // 避免对无穷值的点进行松弛操作
               dis[v] + G.getWeight(v, w) < dis[w]){
                dis[w] = dis[v] + G.getWeight(v, w);
                pre[w] = v;
            }
}

4.5 判断负权环

c 复制代码
// 多进行一次操作,如果还有更新,那么存在负权换
for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
    for(int w : G.adj(v))
        if(dis[v] != Integer.MAX_VALUE &&
           dis[v] + G.getWeight(v, w) < dis[w])
            hasNegCycle = true;

4.6 整体

c 复制代码
package Chapter11_Min_Path.BellmanFord;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collections;

public class BellmanFord {

    private WeightedGraph G;
    private int s;
    private int[] dis;
    private int[] pre;
    private boolean hasNegCycle = false;

    public BellmanFord(WeightedGraph G, int s){

        this.G = G;

        G.validateVertex(s);
        this.s = s;

        dis = new int[G.V()];
        Arrays.fill(dis, Integer.MAX_VALUE);
        dis[s] = 0;

        pre = new int[G.V()];
        Arrays.fill(pre, -1);

        // 进行V-1次松弛操作
        for(int pass = 1; pass < G.V(); pass ++){
            for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
                for(int w: G.adj(v))
                    if(dis[v] != Integer.MAX_VALUE && // 避免对无穷值的点进行松弛操作
                       dis[v] + G.getWeight(v, w) < dis[w]){
                        dis[w] = dis[v] + G.getWeight(v, w);
                        pre[w] = v;
                    }
        }

        // 多进行一次操作,如果还有更新,那么存在负权换
        for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
            for(int w : G.adj(v))
                if(dis[v] != Integer.MAX_VALUE &&
                   dis[v] + G.getWeight(v, w) < dis[w])
                    hasNegCycle = true;
    }

    public boolean hasNegativeCycle(){
        return hasNegCycle;
    }

    public boolean isConnectedTo(int v){
        G.validateVertex(v);
        return dis[v] != Integer.MAX_VALUE;
    }

    public int distTo(int v){
        G.validateVertex(v);
        if(hasNegCycle) throw new RuntimeException("exist negative cycle.");
        return dis[v];
    }

    public Iterable<Integer> path(int t){

        ArrayList<Integer> res = new ArrayList<Integer>();
        if(!isConnectedTo(t)) return res;

        int cur = t;
        while(cur != s){
            res.add(cur);
            cur = pre[cur];
        }
        res.add(s);

        Collections.reverse(res);
        return res;
    }

    static public void main(String[] args){

        WeightedGraph g = new WeightedGraph("gw2.txt");
        BellmanFord bf = new BellmanFord(g, 0);
        if(!bf.hasNegativeCycle()){
            for(int v = 0; v < g.V(); v ++)
                System.out.print(bf.distTo(v) + " ");
            System.out.println();

            System.out.println(bf.path(3));
        }
        else
            System.out.println("exist negative cycle.");

        WeightedGraph g2 = new WeightedGraph("g2.txt");
        BellmanFord bf2 = new BellmanFord(g2, 0);
        if(!bf2.hasNegativeCycle()){
            for(int v = 0; v < g2.V(); v ++)
                System.out.print(bf2.distTo(v) + " ");
            System.out.println();
        }
        else
            System.out.println("exist negative cycle.");
    }
}

5 Floyed算法

5.1 设置记录两点最短距离的数组,并初始化两点之间的距离

c 复制代码
private int[][] dis;
  • 初始化两点之间的距离
c 复制代码
for(int v = 0; v < G.V(); v ++){
    dis[v][v] = 0;
    for(int w: G.adj(v))
        dis[v][w] = G.getWeight(v, w);
}

5.2 更新两点之间的距离

第一重循环:测试两点之间经过点t是否存在更短的路径。

c 复制代码
        for(int t = 0; t < G.V(); t ++)
        
            for(int v = 0; v < G.V(); v ++)
                for(int w = 0; w < G.V(); w ++)
                    if(dis[v][t] != Integer.MAX_VALUE && dis[t][w] != Integer.MAX_VALUE
                       && dis[v][t] + dis[t][w] < dis[v][w])
                        dis[v][w] = dis[v][t] + dis[t][w];


相关推荐
pianmian14 小时前
python数据结构基础(7)
数据结构·算法
好奇龙猫6 小时前
【学习AI-相关路程-mnist手写数字分类-win-硬件:windows-自我学习AI-实验步骤-全连接神经网络(BPnetwork)-操作流程(3) 】
人工智能·算法
sp_fyf_20247 小时前
计算机前沿技术-人工智能算法-大语言模型-最新研究进展-2024-11-01
人工智能·深度学习·神经网络·算法·机器学习·语言模型·数据挖掘
香菜大丸7 小时前
链表的归并排序
数据结构·算法·链表
jrrz08287 小时前
LeetCode 热题100(七)【链表】(1)
数据结构·c++·算法·leetcode·链表
oliveira-time8 小时前
golang学习2
算法
南宫生9 小时前
贪心算法习题其四【力扣】【算法学习day.21】
学习·算法·leetcode·链表·贪心算法
懒惰才能让科技进步9 小时前
从零学习大模型(十二)-----基于梯度的重要性剪枝(Gradient-based Pruning)
人工智能·深度学习·学习·算法·chatgpt·transformer·剪枝
Ni-Guvara9 小时前
函数对象笔记
c++·算法
泉崎10 小时前
11.7比赛总结
数据结构·算法