Matlab最短路问题

Posted 2020-11-28 jianle23

实验目的

　　掌握动态规划算法和最短路径求法，利用最短路径知识结合实际问题建立数学模型。

实验要求

　　实验步骤要有模型建立，模型求解、结果分析。

实验内容

　　（1）某公司在六个城市C1,C2,C3,C4,C5,C6中都有分公司，从Ci到Cj的直达航班票价由下述矩阵的第i行、第j列元素给出（∞表示无直达航班），该公司想算出一张任意两个城市之间最廉价路线表，试作出这样的表来

　　（2）求图5-28中每一结点到其他结点的最短路

　　（3）一只狼、一只羊和一筐白菜在河的一岸，一个摆渡人想把它们渡过河去，但是由于他的船很小，每次只能带走它们之中的一样，由于明显的原因，狼和羊或者羊和白菜在一起需要人看守，问摆渡人怎样把它们渡过河去？

实验步骤

（1）解：该公司想算出一张任意两个城市之间最廉价路线表，可把这个路线表抽象成一副带权的无向图，于是问题等价于求每对顶点之间最短的问题。本题使用Floyd算法，用MATLAB编程求解

　　首先，编写floyd.m文件，代码如下，

 1 %Floyd算法——每对顶点间的最短路径算法
 2 %输入：带权邻接矩阵w(i,j).
 3 %输出：距离矩阵D(i,j),R(i,j)
 4 function [d,r]=floyd(w)
 5 [m,n]=size(w);
 6 if n~=m
 7     error(‘输入的邻接矩阵行数不等于列数！！！‘);
 8 end    
 9 %预分配内存空间
10 d=zeros(n,n);
11 r=zeros(n,n);
12 %赋初值
13 for i=1:n
14     for j=1:n
15         d(i,j)=w(i,j);
16         r(i,j)=j;
17     end
18 end
19 k=1;
20 %更新d,r
21 while k<=n
22     for i=1:n
23         for j=1:n
24             if d(i,k)+d(k,j)<d(i,j)
25                 d(i,j)=d(i,k)+d(k,j);
26                 r(i,j)=r(i,k);
27             end
28         end
29     end
30     k=k+1;
31 end
32 end

floyd.m

　　求解，

　　

　　为了直观看出最廉价的线路表，这里编程输出，

 1 % DisplayPath.m 打印路径函数
 2 function DisplayPath(d,r)
 3 % 打印出任意两点之间的最短路径 
 4 % route : 路由表 
 5 % start : 起点index
 6 % dest : 终点index
 7 [m,n]=size(r);
 8 if(n~=m)
 9     error(‘输入的路径矩阵有误！！！‘);
10 end
11 for i=1:n
12     for j=i:n
13         if i~=j
14             start=i;
15             dest=j;
16            % fprintf(‘V%d->V%d	%d$		‘,i,j,d(i,j));%例题1
17             fprintf(‘V%d->V%d	%d		‘,i,j,d(i,j));
18             while 1
19                 if(r(start, dest) ~= dest)
20                     fprintf(‘V%s -> ‘, num2str(start));
21                     start = r(start, dest);
22                 else
23                     fprintf(‘V%s -> ‘, num2str(start));
24                     fprintf(‘V%s
‘, num2str(dest));
25                     break;
26                 end
27             end
28         end
29     end
30 end

DisplayPath.m

　　运行示例，

　　

 　　所以，任意两城市之间最廉价的线路表如下：

序号	始（终）	终（始）	线路	票价
1	C1	C2	1→6→2	35
2	C1	C3	1→5→3，1→6→4→3	45
3	C1	C4	1→6→4，1→5→4	35
4	C1	C5	1→5	25
5	C1	C6	1→6	10
6	C2	C3	2→3	15
7	C2	C4	2→4	20
8	C2	C5	2→4→5	30
9	C2	C6	2→6	25
10	C3	C4	3→4	10
11	C3	C5	3→4→5,3→5	20
12	C3	C6	3→4→6	35
13	C4	C5	4→5	10
14	C4	C6	4→6	25
15	C5	C6	5→1→6，5→4→6	35

　　（2）解：每一结点到其他结点的最短路，同样使用Floyd算法，MATLAB求解。解得，

　　 

　　（3）解：设狼：1，菜：2，羊：3，人：4。

　　方法1：

 　　不安全的组合：13，23，123；题目要求转移方案为安全，所以同样不能出现的组合：24，14，4。已知安全的组合：1234，12，34，1，2，3；

　　人的转移设定可在河中来回（但是只能搭载一样），

　　

 　　由上述分析可知，因为河中只能出现2位和1位（当且仅当对岸的组合是12：3时，人才能独自在河中出现）的组合，第1趟转移的安全组合：12和34；这两个组合中只有34有人也就是说，第一趟转移为：

　　

　　第二趟转移的关键是当人在回航时如果是独自回来的话，那么对岸的情况就是13或23，都是不安全状态，那么只能在回航时带回羊（3）了（因为不带回羊的话，只能带回刚运过去的，这就徒劳无功了）（有两种情况）：

 　　……

　　只讨论左图的情况（右图以此类推），显然第3趟是把1移过对岸（因为3才运回出发点，并且把1移过去是安全的）：

　　

 　　显然，第4趟转移是把3转移过去，从而完美解决题目要求：

 　

　　综上所述，安全可行（没有多余的无用功）的转移方案有两个，都是4趟转移：

　　方案1，第一趟：去（羊人），回（人）；第二趟：去（狼人），回（羊人）；第三趟：去（菜人），回（人）；第四趟：去（羊人）。

　　方案2，第一趟：去（羊人），回（人）；第二趟：去（菜人），回（羊人）；第三趟：去（狼人），回（人）；第四趟：去（羊人）。

 　　方法2：

 　　由组合学知识，

　　1位组合：1，2，3，4；

　　2位组合：12，13，14，23，24，34；

　　3位组合：123，124，134，234；

　　4位组合：1234。

　　其中不允许：123，13，23，4，14，24；因此共有10个允许状态，转移关系状态图如下，

 　　

　　问题归结为求顶点1234到顶点0的最短路，将上图改画为下面形式：

　　

　　由上图可知，有两种过河方案且等优，如先将羊带到对岸，再将狼带到对岸同时把羊带回原处，将白菜带到对岸，最后把羊带过去。

小结

　　在编写Floyd程序时，我在while循环那里的k值的约束写成了（k<n），运行之后怎么也得不到我想要的结果。我数次怀疑我对路径矩阵是不是理解错误了。于是，我不断回看路径矩阵的数学知识，后来实在忍不住我就开始一点一点地修改。在修改2个语句后，突然觉得，是不是循环的条件除了问题，果然是的。后来我编写了路径矩阵的输出，发现并不能把同一路线的所有情况输出，可看题1的表，是否有更好的输出算法呢？

 附录

　　【1】最短路问题（1）　　zlc