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  • Dijkstra算法解决单源最短路径

    单源最短路径问题:给定一个带权有向图 G = (V, E), 其中每条边的权是一个实数.另外,还给定 V 中的一个顶点,称为源.现在要计算从源到其他所有各顶点的最短路径长度.这里的长度是指路上各边权之和.这个问题通常称为单源最短路径问题.

    Dijkstra算法:

    一:基本算法

    将图 G 中所有的顶点 V 分成两个顶点集合 VA 和 VB.如果源点 S 到 u 的最短路径已经确定,则点 u 属于集合 VA ,否则属于集合  VB.最开始的时候 VA 只包含源点 S,其余的点属于 VB,算法结束时所有由源点 S 可达的点属于  VA ,由源点 S 不可达的点仍留在 VB 中.可以在求出最短路径长的同时记录最短路径,方法是距离终点的前一个点,这样只要倒着往回查就能确定整条最短路径.算法的适用范围是权值非负的图,即解决带有非负权值的图中的单源最短路径问题.

    二:具体步骤

      (1):首先初始化,将源点 S 到图中各点的直接距离当做初始值记录为 S 到各点的最短距离,如果不能直接到达,记为 INF, S 到 S 的距离为 0.

      (2):在所有属于 VB 的点中找一个 S 到其路径长度最短的点 u, 将 u 从VB 中除去,加入到 VA 中,即当前求出的从 S 到 u 的路径为 S 到 u 的最短路径.

      (3):由新确定的 u 点更新 S 到 VB 中每一点 v 的距离, 如果 S 到 u 的距离加上 u 到 v 的直接距离小于当前 S 到 v 的距离,表明新生成的最短路径的长度要比前面计算的更短,那么就更新这个距离,同时更新最短路径.

      (4):重复(2),(3)步骤,直到V中已经没有剩余的点或者VB 中的点都不能由源点 S 到达为止.

    三:伪代码

      在这里, s 代表源, setA[] 记录点属于哪个集合: true 表示属于VA , false 表示属于V; map[][] 记录图的信息, map[u][v]为点 u 到点 v 的边的长度, 结果保存在 dist[]中,pre[]记录最短路径终点的前趋.

      (1):初始化:源的距离 dist[s] 设为0,其他的点距离设为 map[s][i],即 dist[i] = map[s][i].setA[s]设为 true,其他各点的p[i] = false.

          (2):循环 n - 1次:

               a:在 VB 中的点中取一 s 到其距离最小的点 k, setA[k] = true. 如果所有的 k 都不可达,退出循环,算法结束.

               b:对于每个与 k 相邻且在 VB 中的点 j,更新 s 到 j 的最短路径. 如果 dist[k] + map[k][j] < dist[j], 那么 dist[j] = dist[k] + map[k][j], 此时到点 j 的最短路径上, 终点 j 的前一个节点即为 k, 即 pre[j] = k.

    四:以图为例

    初始化图:

     

    初始化数组:

    dist        1        2        3         4         5         6

                  0        INF    10        INF     30       100

    setA       1        2        3         4         5         6

                   1        0        0         0         0         0

    第一步:

    从 dist 数组中选择属于集合 B 且与 点“1” 距离最短的点,显然是点 “3”, 把点 “3” 加入集合 A.则改变后的图为:

    然后选择与点 “3” 相邻的点且属于集合 B 的点,只有点 4,选择之后更新:

    dist[4](INF) < dist[3](10) + map[3][4](50) 显然这里是成立的, 则dist[4] = dist[3] + map[3][4] = 60,更新后的数组为:

    dist     1     2     3     4     5     6

               0    INF   10   60  30  100

    setA   1     2     3      4      5     6

               1     0     1      0     0      0

    第二步:

    再次从 dist 数组中选择属于集合 B 且距离 源点 “1” 最短的点,可以看出这次拓展的点是点 “5”,把点 “5”加入集合A,图变为:

    选择与点 “5” 相邻的点且属于集合 B 的点,这里有点 “4” 和点 “6”.则做比较更新:

    点“4”: dist[4](60) < dist[5](30) + map[5][4](20)  这里是成立的,则dist[4] = dist[5](30) + map[5][4](20) = 50;

    点“6”: dist[6] < dist[5](30) + map[5][6](60) 这也是成立的,则 dist[6] = dist[5] + map[5][6] = 90;

    更新数组得:

    dist     1     2     3     4     5     6

               0    INF   10   50  30   90

    setA   1     2     3      4      5     6

               1     0     1      0      1     0

    第三步:

    再次选择符合条件的点,可知下一个待扩展点为点 “4”.

    同样选择与点“4”相邻且属于集合B的点,可选点为 点 “6”.对点 “6”做更新:

    dist[6](90) < dist[4](50) + map[4][6](10) 这里也是成立的,那么dist[6] = dist[4] + map[4][6] = 60. 更新后的数组为.

    dist     1     2     3     4     5     6

               0    INF   10   50  30   60

    setA   1     2     3      4      5     6

               1     0     1      1      1     0

    第四步:

    继续再集合B中选择距离源点最短的点,可得点 “6”.

    由于此时已经没有和点 “6”相邻,且属于集合B的点了.那么把点 “6” 加入集合A继续下一步.

    dist     1     2     3     4     5     6

               0    INF   10   50  30   60

    setA   1     2     3      4      5     6

               1     0     1      1      1     1

    第五步:

    此时满足距离源点最短且属于集合B的点不存在,即剩下的属于集合B的点,已不可到达那么此时算法结束:

    算法结束后,dist数组里保存的就是图中每点到源点的最短距离:

    dist      1      2      3      4      5      6

                0      INF  10    50    30    60

    其中点 “2”为 不可到达.

    五:代码

     1 const int INF = INT_MAX;
     2 const int MAXN =10000;
     3 int mmap[MAXN + 3][MAXN + 3];//记录图的信息
     4 int dist[MAXN + 3];//dist[i]表示点 i 到源点的最短距离
     5 int pre[MAXN + 3];//记录前趋 记录最短路径
     6 bool setA[MAXN + 3];//是否属于集合A,集合A代表着已经确定最短路径的点集
     7 
     8 void Dijkstra(int n, int s) {// s 为源点
     9     for(int i = 1; i <= n; i++) { //初始化
    10         setA[i] = false;
    11         if(i != s) {
    12             dist[i] = mmap[s][i];
    13             pre[i] = s;
    14         }
    15     }
    16     dist[s] = 0, setA[s] = true;
    17     for(int i = 1; i <= n - 1; i++) {//求 s 到其他 n - 1个节点的最短路径
    18         int minn = INF;
    19         int k = 0;
    20         for(int j = 1; j <= n; j++) { // 在属于集合 Vb 的点中取一点, 满足 s 到其的距离最小 
    21             if(!setA[j] && dist[j] < minn) {
    22                 minn = dist[j], k = j;
    23             }
    24         }
    25         if(!k) return; // 没有点可以扩展,即剩余的点不可达,则结束算法
    26         setA[k] = true; //将新找的点从集合 Vb 中除去, 加入集合 Va
    27         for(int j = 1; j <= n; j++) {
    28             //对于每个与 k 相邻 且属于 Vb 的点,更新 s 到 j 的最短路径
    29             if(!setA[j] && mmap[k][j] != INF && dist[j] > dist[k] + mmap[k][j]) {
    30                 dist[j] = dist[k] + mmap[k][j];
    31                 pre[j] = k;
    32             }
    33         }
    34     }
    35 }

     

    参考文献:<<图论及应用>>  <<数据结构>>

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