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  • Bellman-Ford算法(最短路径)

     
    Dijkstra算法是处理单源最短路径的有效算法,但它局限于边的权值非负的情况,若图中出现权值为负的边,Dijkstra算法就会失效,求出的最短路径就可能是错的。

    这时候,就需要使用其他的算法来求解最短路径,Bellman-Ford算法就是其中最常用的一个。该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。

    适用条件&范围:

     

    单源最短路径(从源点s到其它所有顶点v);

    有向图&无向图(无向图可以看作(u,v),(v,u)同属于边集E的有向图);

    边权可正可负(如有负权回路输出错误提示);

    差分约束系统;

     

    Bellman-Ford算法的流程如下:
    给定图G(V, E)(其中VE分别为图G的顶点集与边集),源点s数组Distant[i]记录从源点s到顶点i的路径长度,初始化数组Distant[n], Distant[s]0

    以下操作循环执行至多n-1次,n为顶点数:
    对于每一条边e(u, v),如果Distant[u] + w(u, v) < Distant[v],则另Distant[v] = Distant[u]+w(u, v)w(u, v)为边e(u,v)的权值;
    若上述操作没有对Distant进行更新,说明最短路径已经查找完毕,或者部分点不可达,跳出循环。否则执行下次循环;

    为了检测图中是否存在负环路,即权值之和小于0的环路。对于每一条边e(u, v),如果存在Distant[u] + w(u, v) < Distant[v]的边,则图中存在负环路,即是说改图无法求出单源最短路径。否则数组Distant[n]中记录的就是源点s到各顶点的最短路径长度。

    可知,Bellman-Ford算法寻找单源最短路径的时间复杂度为O(V*E).

    BellmanFord算法可以大致分为三个部分
    第一,初始化所有点。每一个点保存一个值,表示从原点到达这个点的距离,将原点的值设为0,其它的点的值设为无穷大(表示不可达)。
    第二,进行循环,循环下标为从1n1n等于图中点的个数)。在循环内部,遍历所有的边,进行松弛计算。
    第三,遍历途中所有的边(edgeuv)),判断是否存在这样情况:
    dv) > d (u) + w(u,v)
    则返回false,表示途中存在从源点可达的权为负的回路。
     
    之所以需要第三部分的原因,是因为,如果存在从源点可达的权为负的回路。则 应为无法收敛而导致不能求出最短路径。 

    测试代码如下:(下面为有向图的Bellman-Ford算法。。。。。)

     

    #include<iostream>   

    #include<cstdio>   

    using namespace std;  

      

    #define MAX 0x3f3f3f3f   

    #define N 1010   

    int nodenum, edgenum, original; //点,边,起点   

      

    typedef struct Edge //边   

    {  

        int u, v;  

        int cost;  

    }Edge;  

      

    Edge edge[N];  

    int dis[N], pre[N];  

      

    bool Bellman_Ford()  

    {  

        for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //初始化   

            dis[i] = (i == original ? 0 : MAX);  

        for(int i = 1; i <= nodenum - 1; ++i)  

            for(int j = 1; j <= edgenum; ++j)  

                if(dis[edge[j].v] > dis[edge[j].u] + edge[j].cost) //松弛(顺序一定不能反~)   

                {  

                    dis[edge[j].v] = dis[edge[j].u] + edge[j].cost;  

                   pre[edge[j].v] = edge[j].u;  

               }  

                bool flag = 1; //判断是否含有负权回路   

                for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)  

                    if(dis[edge[i].v] > dis[edge[i].u] + edge[i].cost)  

                    {  

                        flag = 0;  

                        break;  

                    }  

                    return flag;  

    }  

      

    void print_path(int root) //打印最短路的路径(反向)   

    {  

        while(root != pre[root]) //前驱   

        {  

            printf("%d-->", root);  

            root = pre[root];  

        }  

        if(root == pre[root])  

            printf("%d ", root);  

    }  

      

    int main()  

    {  

        scanf("%d%d%d", &nodenum, &edgenum, &original);  

        pre[original] = original;  

        for(int i = 1; i <= edgenum; ++i)  

        {  

            scanf("%d%d%d", &edge[i].u, &edge[i].v, &edge[i].cost);  

        }  

        if(Bellman_Ford())  

            for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //每个点最短路   

            {  

                printf("%d ", dis[i]);  

                printf("Path:");  

                print_path(i);  

            }  

        else  

            printf("have negative circle ");  

        return 0;  

    }  

     
    测试数据:

    4 6 1
    1 2 20
    1 3 5
    4 1 -200
    2 4 4
    4 2 4
    3 4 2

    和:

    4 6 1
    1 2 2
    1 3 5
    4 1 10
    2 4 4
    4 2 4
    3 4 2

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