最短路径之弗洛伊德算法(Floyd)

Floyd算法又称为插点法,是一种用于寻找给定的加权图中多源点之间最短路径的算法。

路径矩阵

通过一个图的权值矩阵求出它的每两点间的最短路径矩阵。

从图的带权邻接矩阵A=[a(i,j)] n×n开始,递归的进行n次更新,即由矩阵D(0)=A,按一个公式,构造出矩阵D(1);

又用同样地公式由D(1)构造出D(2);……;最后又用同样的公式由D(n-1)构造出矩阵D(n)。矩阵D(n)

的 i 行 j 列元素便是 i 号顶点到 j 号顶点的最短路径长度,称D(n)为图的距离矩阵,同时还可引入一个后继节点

矩阵path来记录两点间的最短路径。采用松弛技术(松弛操作),对在i和j之间的所有其他点进行一次松弛。所以时间复杂度为O(n^3);

状态转移方程:

此算法属于DP(动态规划)

其状态转移方程如下map[i , j] =min{ map[i , k] + map[k , j] , map[i , j] };

map[i , j]表示 i 到 j 的最短距离,K是穷举 i  ,  j 的断点,map[n , n]初值应该为0,或者按照题目意思来做。

当然,如果这条路没有通的话,还必须特殊处理,比如没有map[i , k]这条路。

算法流程

1,从任意一条单边路径开始。所有两点之间的距离是边的权,如果两点之间没有边相连,则权为无穷大。

2,对于每一对顶点 u 和 v,看看是否存在一个顶点 w 使得从 u 到 w 再到 v 比已知的路径更短。如果是更新它。

把图用邻接矩阵G表示出来,如果从Vi到Vj有路可达,则G[i,j]=d,d表示该路的长度;否则G[i,j]=无穷大。定义一个矩阵D用来记录

所插入点的信息,D[i,j]表示从Vi到Vj需要经过的点,初始化D[i,j]=j。把各个顶点插入图中,比较插点后的距离与原来的距离,

G[i,j] = min( G[i,j], G[i,k]+G[k,j] ),如果G[i,j]的值变小,则D[i,j]=k。在G中包含有两点之间最短道路的信息,而在D中则包含了最短通路径的信息。

比如,要寻找从V5到V1的路径。根据D,假如D(5,1)=3则说明从V5到V1经过V3,路径为{V5,V3,V1},如果D(5,3)=3,说明V5与V3直接相连,

如果D(3,1)=1,说明V3与V1直接相连。

优缺点

Floyd算法适用于APSP(All Pairs Shortest Paths,多源最短路径),是一种动态规划算法,稠密图效果最佳,边权可正可负。

此算法简单有效,由于三重循环结构紧凑,对于稠密图,效率要高于执行|V|次迪杰斯特拉算法,也要高于执行V次SPFA(队列优化的单源最短路)。

优点:容易理解,可以算出任意两个节点之间的最短距离,代码编写简单。

缺点:时间复杂度比较高,不适合计算大量数据。

代码段如下:

//弗洛伊德算法Floyd代码段
//杨鑫
#define MAXVEX 65535
typedef int Pathmatirx[MAXVEX][MAXVEX];
typedef int ShortPathTable[MAXVEX][MAXVEX];

/*
 *Floyd算法,求网图G中各顶点V到各其余顶点w最短路径P[v][w],及带权长度D[V][W].
 *该算法的主要功能是求一个图中任意两点之间的最短距离。
 * */
void ShortestPath_Floyd(MGraph G, Pathmatrix *P, ShortPathTable *D)
{
	int v, w, k;
	//初始化
	for(v = 0; v < G.numVertexes; ++v)
	{
			for(w = 0; w < G.numVertexes; ++w)
			{
				(*D)[v][w] = G.matrix[v][w];
				(*p)[v][w] = w;
			}

	}

	//如果经过下标为k顶点路径比原来两点间路径更短
	//将当前两点间权值设置为更小的一个
	for(k = 0; k < G.numVertexes; ++k)
	{
		for(v = 0; v < G.numVertexes; ++v)
		{
			for(w = 0; w < G.numVertexes; ++w)
			{
					if((*D)[v][w] > (*D)[v][k] + (*D)[k][w])
					{

					(*D)[v][w] = (*D)[v][k] + (*D)[k][w];
					//路径直射经过下标为k的顶点
					(*P)[v][w] = (*P)[v][k];
					}
			}
		}
	}
}

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时间: 2024-10-12 10:56:24

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