Bellman_ford算法详解

Posted 2020-10-10

昨天说的dijkstra固然很好用，但是却解决不了负权边，想要解决这个问题，就要用到Bellman-ford.

我个人认为Bellman-Ford比dijkstra要好理解一些，还是先上数据（有向图）：

7
2 8
3 5
3 -6
4 -3
4 7
5 -2
5 -3

在讲述开，先设几个数组：

origin[i]表示编号为i这条边的起点编号，如origin[4]=2

destination[i]表示编号为i这条边的终点编号，如origin[5]=5

value[i]表示编号为i这条边的权值，如value[3]=-6

dis[i]，和昨天一样，源点到i号点的估计距离，经过不断更新会变成时机距离，就是答案。

bellmanford的实际意义就是扫描一条边，看如果走这条边能不能使这条边的dis[destination[i]],变少，现在我来模拟一下：

初始的dis：[0,∞,∞,∞,∞]

首先从第一条边1 2 8开始，判断走这条边能不能使这条边的终点的dis变短，原本dis[2]=∞，而dis[1]=0,而这条边的权值：value[1]=8，0+8<∞所以将dis[2]更新成8.

dis[0,8,∞,∞,∞]

然后是第二条边，用刚才的方法将dis[3]从∞更新成5.

dis[0,8,5,∞,∞]

第三条2 3 -8，原本的dis[3]=5,如果走第三条边，则dis[3]=dis[2]+value[3]=8+(-6)=2<5,所以dis[3]更新成2.

dis[0,8,2,∞,∞]

以此类推，经过第一轮更新，dis数组如下：

dis[0,8,2,15,0]

但是第一次更新后，并不是最优解于是开始第二次更新。

按照第一次更新的步骤一步一步来得到的答案是

dis[0,8,2,-3,0]

这便是最优解，但是问题来了，一般要更新多少次呢？

n-1次。这样能保证更新出的一定是最优解。

好了，呈上代码：

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
using namespace std;
int dis[10010];
int origin[10010],destination[10010],value[10010];//刚刚说过的三个数组
int n,m;
void Bellman_ford(int a)
{
    memset(dis,88,sizeof(dis));//赋初始值
    dis[a]=0;
    for(int i=1;i<=n-1;i++)//更新n-1次
        for(int j=1;j<=m;j++)//更新每一条边
            dis[destination[j]]=min(dis[destination[j]],dis[origin[j]]+value[j]);//判断是否更新
 } 
int main()
{
    cin>>n>>m;
    for(int i=1;i<=m;i++)
        cin>>origin[i]>>destination[i]>>value[i];
    Bellman_ford(1);
    for(int i=1;i<=n;i++)
        cout<<dis[i]<<" "; 
}

 有些人可能发现了，很多时候实际上不用更新n-1次，因此我们可以用队列优化：

每次选出队首点，对与队首点链接的所有点的dis进行更新，并加入队列，然后队首点pop出队列，

这个算法最好用邻接表实现，代码如下：

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <queue>
using namespace std;
int dis[10010];
int book[10010];
int origin[10010],destination[10010],value[10010];
int n,m;
int total;
int next[10010],head[10010];
void adl(int a,int b,int c)//邻接表
{
   total++;
   origin[total]=a;
   destination[total]=b;
   value[total]=c;
   next[total]=head[a];
   head[a]=total;
}
void Bellman_ford(int a)
{
    memset(book,0,sizeof(book));//book[i]表示i号点是否在队列里
    memset(dis,88,sizeof(dis));
    queue <int> q;
    q.push(a);
    book[a]=1;
    dis[a]=0;
    while(!q.empty())//当队列不为空时更新
    {
        for(int e=head[q.front()];e;e=next[e])//枚举队首点相邻的每一个点
        {
            if(dis[destination[e]]>dis[origin[e]]+value[e])
            {
                dis[destination[e]]=dis[origin[e]]+value[e];
                if(book[destination[e]]==0)
                {
                    q.push(destination[e]);//将更新的这一个点入队
                    book[destination[e]]=1;
                }
            }
        }
        q.pop();//弹出队首元素
    }
 } 
int main()
{
    cin>>n>>m;
    for(int i=1;i<=m;i++)
    {
        int a,b,c;
        cin>>a>>b>>c;
        adl(a,b,c);
   } 
    Bellman_ford(1);
    for(int i=1;i<=n;i++)
        cout<<dis[i]<<" "; 
}

总结一下，bellman_ford的空间复杂度是m时间复杂度是O（nm），经过队列优化，时间复杂度是<=O（nm）。