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Dijkstra

Bellman-Ford

SPFA

Floyd

1.Dijkstra算法的局限性

像上图,如果用dijkstra算法的话就会出错,因为如果从1开始,第一步dist[2] = 7, dist[3] = 5;在其中找出最小的边是dist[3] = 5;然后更新dist[2] = 0,最终得到dist[2] = 0,dist[3] = 5,而实际上dist[3] = 2;所以如果图中含有负权值,dijkstra失效

2.Bellman-Ford算法思想

适用前提:没有负环(或称为负权值回路),因为有负环的话距离为负无穷。

构造一个最短路径长度数组序列dist1[u] dist2[u]...distn-1[u],其中:
dist1[u]为从源点v0出发到终点u的只经过一条边的最短路径长度,并有dist1[u] = Edge[v0][u]

dist2[u]为从源点v0出发最多经过不构成负权值回路的两条边到终点u的最短路径长度

dist3[u]为从源点v0出发最多经过不构成负权值回路的三条边到终点u的最短路径长度

................

distn-1[u]为从源点v0出发最多经过不构成负权值回路的n-1条边到终点u的最短路径长度

算法最终目的是计算出distn-1[u],即为源点到顶点u的最短路径长度

初始:dist1[u] = Edge[v0][u]

递推:distk[u] = min(distk-1[u], min{distk-1[j] + Edge[j][u]})(松弛操作,迭代n-2次)

3.本质思想:
在从distk-1[u]递推到distk[u]的时候,Bellman-Ford算法的本质是对每条边<u, v>进行判断:设边<u, v>的权值为w(u, v),如果边<u, v>的引入会使得distk-1[v]的值再减小,就要修改distk-1[v],即:如果distk-1[u] + w(u, v) < distk-1[v],,那么distk[v] = distk-1[u] + w(u, v),这个称为一次松弛

所以递推公式可改为:

初始:dist0[u] = INF dist0[v0] = 0(v0是源点)

递推:对于每条边(u, v) distk[v] = min(distk-1[v], distk-1[u] + w(u, v))(松弛操作,迭代n-1次)

如果迭代n-1次后,再次迭代,如果此时还有dist会更新,说明存在负环。

无负环的时候,迭代更新次数最多为n-1次,所以设置一个更新变量可以在不更新的时候直接跳出循环

拓展:

Bellman-Ford算法还能用来求最长路或者判断正环,思路是dist数组含义是从原点出发到其他每个顶点的最长路径的长度,初始时,各个顶点dist为0,在从distk-1[u]递推到distk[u]的时候,Bellman-Ford算法的本质是对每条边<u, v>进行判断:设边<u, v>的权值为w(u, v),如果边<u, v>的引入会使得distk-1[v]的值再增加,就要修改distk-1[v],即:如果distk-1[u] + w(u, v) > distk-1[v],,那么distk[v] = distk-1[u] + w(u, v)。例题:POJ-1860

4.代码实现:时间复杂度O(nm)(n为点数,m为边数)

输入:

7 10
0 1 6
0 2 5
0 3 5
1 4 -1
2 1 -2
2 4 1
3 2 -2
3 5 -1
4 6 3
5 6 3

输出:

从0到1距离是: 1   0->3->2->1
从0到2距离是: 3   0->3->2
从0到3距离是: 5   0->3
从0到4距离是: 0   0->3->2->1->4
从0到5距离是: 4   0->3->5
从0到6距离是: 3   0->3->2->1->4->6
不存在负环

 #include<iostream>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<algorithm>
#include<cmath>
#include<queue>
#include<stack>
#include<map>
#include<sstream>
using namespace std;
typedef long long ll;
const int maxn = + ;
const int INF = << ;
int T, n, m, cases;
struct edge
{
int u, v, w;
};
edge a[maxn];
int path[maxn], d[maxn];
bool Bellman(int v0)
{
for(int i = ; i < n; i++)d[i] = INF, path[i] = -;
d[v0] = ;
for(int i = ; i < n; i++)//迭代n次,如果第n次还在更新,说明有负环
{
bool update = ;
for(int j = ; j < m; j++)
{
int x = a[j].u, y = a[j].v;
//cout<<x<<" "<<y<<" "<<a[j].w<<endl;
if(d[x] < INF && d[x] + a[j].w < d[y])
{
d[y] = d[x] + a[j].w;
path[y] = x;
update = ;
if(i == n - )//说明第n次还在更新
{
return true;//返回真,真的存在负环
}
}
}
if(!update)break;//如果没更新了,说明已经松弛完毕
}
for(int i = ; i < n; i++)
{
if(i == v0)continue;
printf("从%d到%d距离是:%2d ", v0, i, d[i]);
stack<int>q;
int x = i;
while(path[x] != -)
{
q.push(x);
x = path[x];
}
cout<<v0;
while(!q.empty())
{
cout<<"->"<<q.top();
q.pop();
}
cout<<endl;
}
return false;
}
int main()
{
cin >> n >> m;
for(int i = ; i < m; i++)cin >> a[i].u >> a[i].v >> a[i].w;
if(Bellman())cout<<"存在负环"<<endl;
else cout<<"不存在负环"<<endl;
return ;
}

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