Bellman-Ford&&SPFA算法详解
2024-10-07 16:10:46
Dijkstra在正权图上运行速度很快,但是它不能解决有负权的最短路,如下图:
Dijkstra运行的结果是(以1为原点):0 2 12 6 14;
但手算的结果,dist[4]的结果显然是5,为什么会出现这种情况呢?原因很显然,Dijkstra认为,从一个更长的边过来不会比一个更短的边过来更短(读起来很绕口,但请读者好好理解这句话!)但是由于出现了负权边,可以“救回来”,就像松弛2号节点一样。
Bellman_Ford:
知道了Dijkstra为什么不能做负权图之后,我们来看看Bellman-ford算法。它的基本思想是:图的最短路,既不会包含正环(可以不走),更不能有负环(否则一直走就可以无限小),因此最多经过n-1条边(每个节点都经过一次),bellman-ford实际上是枚举距离源点多少条边,尝试对每条边松弛的过程。请读者联系上图,自行推导一下Bellman_ford的运行过程
样例如下:
5 5
1 2 2
1 3 12
3 2 -13
2 4 4
3 5 2
朴素Bellman_Ford算法的时间复杂度是O(NM);程序如下:
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<queue>
#include<cstring>
using namespace std;
int n,m,s,dist[],v[],w[],u[],cnt,x,y,z;
void bellman_ford(int s)
{
memset(dist,,sizeof(dist));
dist[s]=;
for(int i=;i<=n-;i++)
{
for(int j=;j<=m;j++)
{
dist[v[j]]=min(dist[v[j]],dist[u[j]]+w[j]);
}
}
}
int main()
{
scanf("%d %d",&n,&m);
for(int i=;i<=m;i++)
{
scanf("%d %d %d",&u[i],&v[i],&w[i]);
}
bellman_ford();
for(int i=;i<=n;i++)
{
cout<<dist[i]<<" ";
}
return ;
}
SPFA:
SPFA是对Bellman_Ford算法的优化,它采用队列保存即将松弛其他点的节点,每次选与队首相连的点进行松弛,可以使用链式前向星(邻接表)实现,避免了Bellman_Ford算法许多无效的松弛操作,平均复杂度O(KM),K为平均松弛次数,也有可能被网格图卡回O(NM),是不稳定的算法。程序如下:
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<queue>
#include<cstring>
using namespace std;
int n,m,s,dist[],v[],w[],nxt[],head[],cnt,x,y,z;
bool vis[];
void add(int a,int b,int c)
{
v[++cnt]=b;
w[cnt]=c;
nxt[cnt]=head[a];
head[a]=cnt;
}
void SPFA(int s)
{
memset(dist,,sizeof(dist));
queue<int>q;
dist[s]=;
vis[s]=;
q.push(s);
while(!q.empty())
{
int c=q.front();
q.pop();
vis[c]=;
for(int i=head[c];i;i=nxt[i])
{
int y=v[i];
if(dist[y]>=dist[c]+w[i])
{
dist[y]=dist[c]+w[i];
if(!vis[y])
{
q.push(y);
vis[y]=;
}
}
}
}
}
int main()
{
scanf("%d %d",&n,&m);
for(int i=;i<=m;i++)
{
scanf("%d%d%d",&x,&y,&z);
add(x,y,z);
}
SPFA();
for(int i=;i<=n;i++)
{
cout<<dist[i]<<" ";
}
return ;
}
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