求解最短路的四个算法及其优化
Posted stungyep
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了求解最短路的四个算法及其优化相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
求解最短路的四个算法及其优化
1.Dijkstra算法
Dijkstra很好的运用了贪心算法，其思想是一直找离已加入顶点集合的最短边，更新邻点，下面是实现代码：
<1.朴素Dijkstra算法：
【题意】：给定一个n个点m条边的有向图，图中可能存在重边和自环，所有边权均为正值。请你求出1号点到n号点的最短距离，如果无法从1号点走到n号点，则输出-1。
直接Dijkstra即可，注意是有向边，如果是无向边，则需要将两个端点都要存进去，而且数组大小要开两倍！！！；这个图的范围为一个稠密图，适合朴树的Dijkstra算法，其时间复杂度为(O(v^2))；show code:
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int maxn=1e5+10;
const int inf=0x3f3f3f3f;
struct node
{
int nex,to,val;
}Edge[maxn];
int head[maxn],n,m,tot=0;
int dis[maxn],v[maxn];
void add(int from,int to,int val)
{
Edge[++tot].nex=head[from];
Edge[tot].to=to;
Edge[tot].val=val;
head[from]=tot;
}
void Dijkstra(int s) //s到任一节点的距离
{
for(int i=0;i<=n;++i)
dis[i]=(i==s)?0:inf; //加0方便处理（也可以不加）
for(int i=1;i<=n;++i)
{
int pos=0;
for(int j=1;j<=n;++j)
if(!v[j]&&dis[j]<dis[pos]) pos=j;
v[pos]=1;
for(int j=head[pos];j!=-1;j=Edge[j].nex) //找以pos开头的边判断端点是否被访问过
if(!v[Edge[j].to]&&dis[pos]+Edge[j].val<dis[Edge[j].to]){
dis[Edge[j].to]=dis[pos]+Edge[j].val;
}
}
}
int main()
{
ios::sync_with_stdio(false);
while(cin>>n>>m)
{
memset(head,-1,sizeof(head));
for(int i=1;i<=m;++i){
int a,b,val;
cin>>a>>b>>val;
add(a,b,val);
//add(b,a,val); //如果是无向图要加上这个
}
Dijkstra(1);
dis[n]==inf?cout<<-1<<endl:cout<<dis[n]<<endl;
}
}<2:堆优化的Dijkstra算法
堆优化的Dijkstra算法适合稀疏图，其时间复杂度为(O(vloge))；无向图数组开两倍！！！
还是上面的题意，有自环和重边，求到n号节点的最小值，不存在输出-1.
show code:
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int maxn=1e5+10;
const int inf=0x3f3f3f3f;
int n,m,head[maxn],dis[maxn],v[maxn],tot=0;
struct Node{
int dis, pos; //dis保存距离 pos保存这个dis的点是pos
Node(int a = 0, int b = 0): dis(a), pos(b) {}
friend bool operator < (const Node &a, const Node &b){
return a.dis > b.dis;
} //重载小于号， 令dis越大的Node越小，这样优先队列默认按降序排列，top就是dis最小的
//相当于大根堆变成小根堆
};
struct node
{
int nex,to,val;
}edge[maxn];
inline void add(int from, int to, int val)
{
edge[++tot].nex = head[from];
edge[tot].to = to;
edge[tot].val = val;
head[from] = tot;
}
void Dijkstra(int s)
{
priority_queue<Node> q;
for(int i = 1;i <= n; ++i)
dis[i] = (i == s) ? 0 : inf;
q.push(Node(0, s));
while(!q.empty())
{
int pos = q.top().pos; //找到距离最小的点
q.pop(); //找到距离离源点最大的点将它更新一波
if(v[pos]) continue;
v[pos] = 1;
for(int i = head[pos]; i != -1; i = edge[i].nex){
if(dis[pos] + edge[i].val < dis[edge[i].to])
{
dis[edge[i].to] = dis[pos]+edge[i].val;
q.push(Node(dis[edge[i].to], edge[i].to));
}
}
}
}
int main()
{
ios::sync_with_stdio(false);
while(cin >> n >> m)
{
memset(head, -1, sizeof(head));
memset(v, 0, sizeof(v));
tot = 0;
for(int i = 1; i <= m; ++i){
int a, b, val;
cin >> a >> b >> val;
add(a, b, val);
}
Dijkstra(1);
dis[n] == inf ? cout << -1 << endl : cout << dis[n] << endl;
}
}2.Floyd算法
Floyd（弗洛伊德）算法的原理是：一直看能不能走别的点使得两点的距离更短(不会组织语言)，其核心思想是区间dp，可以处理带负权的边，其时间复杂度为(O(v^3))看代码：
【题意】：n个点，m条边，q个询问，存在负权和重边，求任意两点之间的最短路径
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int inf=0x3f3f3f3f;
const int maxn=210;
int d[maxn][maxn],n,m,q;
void Floyd()
{
for(int k=1;k<=n;++k)
for(int i=1;i<=n;++i)
for(int j=1;j<=n;++j){
if(d[i][k]==inf||d[k][j]==inf) continue;
d[i][j]=min(d[i][j],d[i][k]+d[k][j]);
}
}
int main()
{
scanf("%d %d %d",&n,&m,&q);
for(int i=1;i<=n;++i)
for(int j=1;j<=n;++j)
d[i][j]=(i==j)?0:inf; //初始化
for(int i=1;i<=m;++i){
int a,b,c;
scanf("%d %d %d",&a,&b,&c);
d[a][b]=min(d[a][b],c); //处理重边
}
Floyd();
for(int i=1;i<=q;++i){
int a,b;
scanf("%d %d",&a,&b);
if(d[a][b]==inf) printf("impossible
");
else{
printf("%d
",d[a][b]);
}
}
}要想输出路径，其实也很简单，只要在加个Path数组记录一下路径即可：
void Floyd()
{
for(int i=1;i<=n;++i){
for(int j=1;j<=n;++j)
path[i][j]=(d[i][j]==inf)?-1:j; //初始化路径，输入之后再初始化
}
for(int k=1;k<=n;++k)
for(int i=1;i<=n;++i)
for(int j=1;j<=n;++j){
if(d[i][k]==inf||d[k][j]==inf) continue;
if(d[i][j]>d[i][k]+d[k][j]){
d[i][j]=d[i][k]+d[k][j];
path[i][j]=path[i][k];
}
}
}
void print(int start,int end)
{
printf("%d ",start);
while(start!=end)
{
printf("%d ",path[start][end]);
start=path[start][end];
}
}Floyd还可以用来传递闭包（解不等式）：
void floyd()
{
for(int k=1;k<=n;++k){
for (int i=1;i<=n;++i){
for (int j=1;j<=n;++j){
d[i][j]=d[i][j]|(d[i][k]&&d[k][j]);
}
}
}
}简单用法：题意为求任意两种货币是否可以获益：
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int maxn=100;
string s,temp;
map<string,int> mp;
int n,m,cas=1;
double d[maxn][maxn];
bool Floyd()
{
for(int k=1;k<=n;++k)
for(int i=1;i<=n;++i)
for(int j=1;j<=n;++j){
if(d[i][k]==0||d[k][j]==0) continue;
if(d[i][j]<d[i][k]*d[k][j])
d[i][j]=d[i][k]*d[k][j];
}
for(int i=1;i<=n;++i){
if(d[i][i]>1.0) return true;
}
return false;
}
int main()
{
ios::sync_with_stdio(false);
while(cin>>n&&n)
{
for(int i=1;i<=n;++i)
for(int j=1;j<=n;++j)
d[i][j]=(i==j)?1.0:0;
for(int i=1;i<=n;++i){
cin>>temp;
mp[temp]=i;
}
cin>>m;
string a,b;
double val;
for(int i=1;i<=m;++i){
cin>>a>>val>>b;
d[mp[a]][mp[b]]=val;
}
cout<<"Case "<<cas++<<": ";
if(Floyd()) cout<<"Yes"<<endl;
else cout<<"No"<<endl;
}
}
3.Bellman-Ford算法
Bellman-Ford是基于迭代思想，它扫描所有的边（x，y，z）,如果：(dis[y]>dis[x]+z)，则更新(dis[y]=dis[x]+z)，一直到算法结束。
其优点是允许图中存在负权边，且时间复杂度为(O(ve))；
看模板：
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int maxn=1e5+10;
const int inf=0x3f3f3f3f;
struct node
{
int from,to,val;
}edge[maxn];
int dist[maxn],n,m; //n为点的个数，m为边的个数
bool Bellman_Ford(int s)
{
for(int i=1;i<=n;++i)
dist[i]=(i==s)?0:inf; //初始化
for(int i=1;i<n;++i)
for(int j=1;j<=m;++j){
if(dist[edge[j].from]+edge[j].val<dist[edge[j].to])
dist[edge[j].to]=dist[edge[j].from]+edge[j].val;
}
bool flag=1;
// 判断是否有负环路
for(int i=1;i<=m;++i)
if(dist[edge[i].to]>dist[edge[i].from]+edge[i].val){
flag=0;
break;
}
return flag;
}
int main()
{
scanf("%d%d",&n,&m); //s为源点
for(int i=1;i<=m;++i)
scanf("%d%d%d",&edge[i].from,&edge[i].to,&edge[i].val);
if(Bellman_Ford(1)&&dist[n]!=inf)
printf("%d
",dist[n]);
else{
printf("impossible
");
}
system("pause");
}
【题意】：poj-1860 每两种货币之间可以兑换，给定兑换比率和手续费，问能不能通过若干次交换回到原始货币且比原有的货币多。
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
using namespace std;
const int maxn=1e3+10;
int n,m,s,tot=0;
int de[maxn][2]; //0 start 1 end
double ce[maxn][2]; //0 rate 1 commission
double dis[maxn],v;
bool Bellman_ford(int s)
{
for(int i=1;i<=n;++i) dis[i]=0;
dis[s]=v;
for(int i=1;i<n;++i){
int flag=false;
for(int j=1;j<=tot;++j){
if(dis[de[j][1]]<(dis[de[j][0]]-ce[j][1])*ce[j][0]){
dis[de[j][1]]=(dis[de[j][0]]-ce[j][1])*ce[j][0];
flag=true;
}
}
if(!flag) return false;
}
for(int i=1;i<=tot;++i)
if(dis[de[i][1]]<(dis[de[i][0]]-ce[i][1])*ce[i][0]) //已经是最大的，如果还能更大的话，说明有正环
return true;
return false;
}
int main()
{
while(~scanf("%d%d%d%lf",&n,&m,&s,&v))
{
tot=0;
for(int i=1;i<=m;++i)
{
int a,b;
double c,d,e,f;
scanf("%d%d%lf%lf%lf%lf",&a,&b,&c,&d,&e,&f);
tot++;
de[tot][0]=a;
de[tot][1]=b;
ce[tot][0]=c;
ce[tot][1]=d;
tot++;
de[tot][0]=b;
de[tot][1]=a;
ce[tot][0]=e;
ce[tot][1]=f;
}
if(Bellman_ford(s)) printf("YES
");
else printf("NO
");
}
system("pause");
}
4.SPFA算法
SPFA算法又叫做队列优化的Bellman-Ford算法，其时间复杂度为(O(ke))，其中k是一个很小的常数。不过在特殊情况下其时间复杂度会退化到(O(ev))。
它的算法流程和Bellman-Ford类似：先建立一个队列，队列中只包含一个起点s，接着扫描队头所有的出边（x，y，z）,如果：(dis[y]>dis[x]+z)，则更新(dis[y]=dis[x]+z)，直至算法结束。
裸模板：
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int inf=0x3f3f3f3f;
const int maxn=1e5+10;;
int n,m,w;
struct Edge
{
int nex,to,val;
}edge[maxn];
int head[maxn],dis[maxn],vis[maxn],mark[maxn],tot;
void init()
{
memset(head,-1,sizeof(head));
tot=0;
}
void add(int from,int to,int val)
{
edge[++tot].to=to;
edge[tot].val=val;
edge[tot].nex=head[from];
head[from]=tot;
}
bool SPFA(int s)
{
for(int i=1;i<=n;i ++){
mark[i]=0; //记录每个点入队列次数
dis[i]=inf;
vis[i] = 0;
}
queue<int> q;
q.push(1); //我们只需要判断负环，随便找一个起点就好
dis[s]=0;
vis[s]=1;//入队列
mark[s]++;
while(!q.empty())
{
int u=q.front();
q.pop();
vis[u] = 0;//出队列
for(int i=head[u];i!=-1;i=edge[i].nex)
{
int v=edge[i].to;
if(dis[v]>dis[u]+edge[i].val)
{
dis[v]=dis[u]+edge[i].val;
if(!vis[v]) //不在队列中的时候入队
{
q.push(v);
mark[v]++;
vis[v]=1;
}
if(mark[v]>=n) //说明存在负环
return false;
}
}
}
return true;
}
int main()
{
init();
int u,v,z;
scanf("%d%d",&n,&m);
for(int i=1;i<=m;i++)
{
scanf("%d%d%d",&u,&v,&z);
add(u,v,z);
}
if(SPFA(1)&&dis[n]!=inf) printf("%d
",dis[n]);
else printf("impossible
");
}
以上是关于求解最短路的四个算法及其优化的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
基于PSO粒子群优化算法的TSP问题最短路径求解matlab仿真