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  • 图——图的Floyd法最短路径实现

    1,Dijkstra 算法一次性求得起始顶点到所有其它顶点的最短路径,如果想要求解任意两个顶点之间的最短路径,可将图中顶点作为起始顶点执行 n 次 Dijkstra 算法就可以了;

      

    2,可能解决方案:

          

           1,算法执行结束后,i 到 j 最短路径值存储于 dist[i][j] 中。最短路径前驱结点存储于 path[N][N] 中;

           2,这种方法比较土;

          

    3,问题的提法:

           1,已知一个各边权值均大于 0 的带权有向图,对每一对顶点 vi != vj,求出 vi 与 vj 之间的最短路径值以及最短路径上的顶点;

             

    4,Floyd 算法核心:

           1,定义一个 n 阶方阵序列:

                 

              其中:

               

           2,怀疑当前两个顶点间路径不是最短路径,因此 Floyd 算法尝试通过其他顶点中转、直到找到一个中转点的中转路径最短;

             

    5,n 阶方阵中元素的意义:

         

           1,都是由邻接方阵中的权值推得的;

           2,此算法是通过递推的方式得到两个顶点间最短路径的;

           3,把所有的顶点的中转路径都推导完了,也就得到最小路径了;

           4,后面方阵的推导,包含着前面方阵的信息,且每次推导都是最小,直到推导了全部顶点,得到最终最短路径;

          

    6,Floyd 算法精髓:

     

    7,Floyd 算法的实现:

         

           1,初始化:

                  1,本质:使用邻接矩阵初始化 A(-1);    

           2,A(0), ..., A(n-1) 矩阵推导:

        1,本质:使用中转顶点逐步推导最短路径;

                  2,最外层是在说 A(k)矩阵的循环,循环推导完后,得到最短路径矩阵 A(n-1),即为所求;

                       

     

    8,如何记录最短路径上的各个顶点?

           1,定义辅助矩阵:

                  1,int path[N][N];  // 路径矩阵

                         1,path[i][j] 表示 i 到 j 的路径上所经过的第 1 个顶点;

                         2,初始化:path[i][j] = -1; or paht[i][j] = j;

                                1,有直接的连接则设置为 j,表示经过的第一个顶点为终值顶点 j;

                                2,没有连接的两个顶点设置为 -1;

                         3,修改:

    1 if( (dist[i][k] + dist[k][j]) < dist[i][j]  )
    2 {
    3      dist[i][j] = dist[i][k] + dist[k][j];
    4      path[i][j] = paht[i][k];
    5 }

                                1,if 条件为真,由 k 这个顶点中转可以得到一条更短路径,则由 i 到 j 这条路径上所经过的第一个顶点就是由 i 到 k 这条路径上经过的第一个顶点,因为由 k 中转了下;

                  2,路径矩阵示例:

          1,由一个点的路径推至其它路径:

                         2,辅助矩阵和路径:

    9,Floyd 最短路径算法实现:

     1    /* floyd 每对结点之间最短路径算法,返回值为最短路径;核心为通过中转顶点寻找更短路径 */
     2     SharedPointer< Array<int> > floyd(int x, int y, const E& LIMIT)  // O(n*n*n)
     3     {
     4         LinkQueue<int> ret;
     5 
     6         if( (0 <= x) && (x < vCount()) && (0 <= y) && (y < vCount()) )  //顶点编号要合理
     7         {
     8             DynamicArray< DynamicArray<E> > dist(vCount());  // 定义二维数组,N*N
     9 
    10             DynamicArray< DynamicArray<int> > path(vCount());  // 最短路径的辅助数组
    11 
    12             /* 定义二维数组 */
    13             for(int k=0; k<vCount(); k++)
    14             {
    15                 dist[k].resize(vCount());
    16                 path[k].resize(vCount());
    17             }
    18 
    19             /* 初始值设置 */
    20             for(int i=0; i<vCount(); i++)
    21             {
    22                 for(int j=0; j<vCount(); j++)
    23                 {
    24                     path[i][j] = -1;  // i 和 j 是没有边的
    25 
    26                     dist[i][j] = isAdjacent(i, j) ? (path[i][j]=j, getEdge(i, j)) : LIMIT;  // 邻接了就设置,利用了逗号表达式,逗号表达式第一个参数是设置顶点,第二个是设置权值
    27                 }                                                                           
    28             }
    29 
    30             /* 推导最短路径矩阵 */
    31             for(int k=0; k<vCount(); k++)
    32             {
    33                 for(int i=0; i<vCount(); i++)
    34                 {
    35                     for(int j=0; j<vCount(); j++)
    36                     {   
    37                /* 推导规则,用中间顶点中转数据,看是否有最短路径值 */
    38                         if( (dist[i][k] + dist[k][j]) < dist[i][j] )
    39                         {
    40                             dist[i][j] = dist[i][k] + dist[k][j];  // 如果得到最短路径,认为其可能是最短路径,要更新其值
    41 
    42                             path[i][j] = path[i][k];  // 通过 k 顶点可以找到最小值,则这个顶点找到了
    43                          }
    44                     }
    45                 }
    46             }
    47 
    48             while( (x != -1) && (x != y) )  // 推导到终止顶点为止
    49             {
    50                 ret.add(x);  // 最短路径上的各个顶点加到返回值中
    51 
    52                 x = path[x][y];  // 递归的将 path[x][y] 上经过的第一个顶点放入 x 中,然后在下一个递推中从 x 出发再递归处其它顶点;
    53             }
    54 
    55             if( x != -1 )
    56             {
    57                 ret.add(x);  // 将最后的一个 x 加入返回值队列中,因为上面 x == y,终止了在返回队列中的加入,所以这里要加入
    58             }
    59         }
    60         else
    61         {
    62             THROW_EXCEPTION(InvalidParameterException, "Index <x, y> is invalid ...");
    63         }
    64 
    65         /* 看看目标的两个最短值之间是否真的有最短路径 */
    66         if( ret.length() < 2 )
    67         {
    68             THROW_EXCEPTION(ArithmeticException, "There is no path from x to y ...");
    69         }
    70 
    71         return toArray(ret);
    72     }

    10,小结:

           1,Floyd 算法通过递推逐步求得所有顶点间的最短路径;

           2,Floyd 算法的本质是通过中转顶点寻找更短的路径;

           3,邻接矩阵是最短路径推导的起始矩阵;

           4,路径矩阵记录了最短路径上的各个顶点;

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