FloydWarshall算法(全点对最短路径)

参考:Floyd算法
懒猫老师-最短路径

一、概述

当我们要求一个带权有向图中的所有点对的最短路径时,我们或许想到之前学的Dijkstra算法,但这个算法是算一个点到其他点的最短距离的,如果要求所有点对的最短路径,我们需要对每一个点都是用这个算法,时间复杂度是O(N^3)
我们给出另外一个算法,FloydWarshall算法,虽然时间复杂度也为O(N^3),但形式会简单许多。其主要依赖于邻接矩阵的更新来获得最小值

二、实现方法

对于一个给定的图,我们初始化一个邻接矩阵dist,表示的是与节点直接相连(或到达节点只需走一条边)的节点的距离值,还有一个path数据表示从某节点到这个节点的距离路径。
这两个矩阵是一一对应的。

第一次迭代,我们考察两个节点经转另一个节点后的距离是否会缩短,我们先看经转a节点,经过循环发现c经转a到b的距离可以缩短,于是我们更新两个数组

第二次迭代,我们经转b,于是发现a经转b到c可缩短,更新

第三次,经转c,发现可以,更新之

小练习

答案

三、规律

拿第一次迭代做例子,我们发现dist数组的更新是有规律可循的,就用之前的数组的 i j 的值比较i 与 k (这里的k是我们之前说的经转的节点,刚好和下表对上)、k 和 j 的距离之和的值,
取小的那一个放入新的距离数组

同理我们有第二次迭代的公式

我们发现,这个规律应该是正确的,于是可以总结如下:

注:arc矩阵是邻接矩阵

以下有代码实现。

伪代码:

可见,我们更新数组的过程,需要有3重循环,第一重是依次对中转节点的选择,第二、三重是循环二维数组,里面的代码就是对距离进行判断并进行更新。

使用数字表示path数组

当然,我们可以不用字符串来表明最短路径,我们可以用数字来直接表示。

首先我们初始化A(距离数组)、P(路径数组)

然后我们进行第一次迭代,虽然矩阵没变化,但这个矩阵的意义是发生变化了的,因为经转了 1 节点

然后进行第二次迭代,我们发现a13比a12+a23的值大,所以更新,并在P数组中记录路径
(注意我们这里索引以1开始,不是0!)

继续,我们进行第三次迭代

第4次

第5次,发现不变。
因为就5个节点,已经循环完了,所以我们结束并得到最终结果

A数组的获取方法和之前讲的是一样的
那我们怎么通过P数组找到路径呢?

假如要找从1节点到5节点的路径:
首先找p15,发现是4,可知其中有4中转;
然后找p14,看看从1到4是否有中转,发现没有;
再找p45,发现有3中转;
此时我们还要找p43,p35,发现没有值,说明没有中转了。

综上,我们可以得到路径1-4-3-5

四、小结

我们可以看到,这个算法虽然时间效率不低,但形式简单、直观。

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