floyd算法学习笔记

Posted 2020-08-16

算法思路

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，递归地进行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)，以此类推。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。

状态转移方程

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。

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。

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核心算法

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。

 

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时间复杂度与空间复杂度

时间复杂度：因为核心算法是采用松弛法的三个for循环，因此时间复杂度为O（n^3）

空间复杂度：整个算法空间消耗是一个n*n的矩阵，因此其空间复杂度为O（n^2）

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C++代码

// floyd.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include "stdafx.h"
#include"iostream"
#include"fstream"
#define maxlen 20
#define maximum 100
using namespace std;

typedef struct graph
{
 int vertex;
 int edge;
 int matrix[maxlen][maxlen];
};
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
 ofstream outwrite;
 outwrite.open("h.txt",ios::app|ios::out);
 outwrite<<"welcome to the graph world!\n";
 outwrite<<"the initial matrix is:\n";
 int vertexnumber;
 int edgenumber;
 int beginning,ending,weight;
 int mindistance[maxlen][maxlen];
 int interval[maxlen][maxlen];
 graph floydgraph;
 cout<<"welcome to the graph world!"<<endl;
 cout<<"input the number of the vertex: ";
 cin>>vertexnumber;
 cout<<"input the number of the edge: ";
 cin>>edgenumber;
 for (int i = 0; i < vertexnumber; i++)
 {
  for (int j = 0; j < vertexnumber; j++)
  {
   floydgraph.matrix[i][j]=maximum;
  }
 }
 for (int i = 0; i <edgenumber; i++)
 {
  cout<<"please input the beginning index: ";
  cin>>beginning;
  cout<<"please input the ending index: ";
  cin>>ending;
  cout<<"please input the distance of the two dot: ";
  cin>>weight;
  floydgraph.matrix[beginning][ending]=weight;
 }
 for (int i = 0; i <vertexnumber; i++)
 {
  for (int j = 0; j < vertexnumber; j++)
  {
   mindistance[i][j]=floydgraph.matrix[i][j];
   outwrite<<floydgraph.matrix[i][j]<<"\t";
   interval[i][j]=-1;
  }
  outwrite<<"\n";
 }
 for (int k = 0; k <vertexnumber; k++)
 {
  for (int i = 0; i < vertexnumber; i++)
  {
   for (int j = 0; j < vertexnumber; j++)
   {
    if(mindistance[i][j]>mindistance[i][k]+mindistance[k][j])
    {
     mindistance[i][j]=mindistance[i][k]+mindistance[k][j];
     interval[i][j]=k;
    }
   }
  }
 }
 outwrite<<"\n"<<"after the floyd transition, the matrix is: "<<"\n";
 for (int i = 0; i < vertexnumber; i++)
 {
  for (int j = 0; j < vertexnumber; j++)
  {
   cout<<"the mindistance between "<<i<<"  and  "<<j <<" is: ";
   cout<<mindistance[i][j]<<endl;
   cout<<"the two points pass through the point: "<<interval[i][j];
   cout<<endl;
   outwrite<<mindistance[i][j]<<"\t";
  }
  outwrite<<"\n";
 }
 outwrite<<"\n";
 outwrite<<"the points between the beginning point and the ending point is:"<<"\n";
 for (int i = 0; i < vertexnumber; i++)
 {
  for (int j = 0; j < vertexnumber; j++)
  {
   outwrite<<interval[i][j]<<"\t";
  }
  outwrite<<"\n";
 }
 outwrite.close();
 getchar();
 getchar();
 getchar();
 return 0;
}