幾大最短路徑演算法比較

2021-07-02 11:35:12 字數 1790 閱讀 5700

用於解決最短路徑問題的演算法被稱做「最短路徑演算法」,有時被簡稱作「路徑演算法」。最常用的路徑演算法有:

dijkstra演算法、a*演算法、spfa演算法、bellman-ford演算法和floyd-warshall演算法,本文主要介紹其中的三種。

最短路徑問題是圖論研究中的乙個經典演算法問題,旨在尋找圖(由結點和路徑組成的)中兩結點之間的最短路

徑。演算法具體的形式包括:

確定起點的最短路徑問題:即已知起始結點,求最短路徑的問題。

確定終點的最短路徑問題:與確定起點的問題相反,該問題是已知終結結點,求最短路徑的問題。在無向圖中

該問題與確定起點的問題完全等同,在有向圖中該問題等同於把所有路徑方向反轉的確定起點的問題。

確定起點終點的最短路徑問題:即已知起點和終點,求兩結點之間的最短路徑。

全域性最短路徑問題:求圖中所有的最短路徑。

floyd

求多源、無負權邊的最短路。用矩陣記錄圖。時效性較差,時間複雜度o(v^3)。

floyd-warshall演算法(floyd-warshall algorithm)是解決任意兩點間的最短路徑的一種演算法,可以正確處理

有向圖或負權的最短路徑問題。

floyd-warshall演算法的時間複雜度為o(n^3),空間複雜度為o(n^2)。

floyd-warshall的原理是動態規劃:

設di,j,k為從i到j的只以(1..k)集合中的節點為中間節點的最短路徑的長度。

若最短路徑經過點k,則di,j,k = di,k,k-1 + dk,j,k-1;

若最短路徑不經過點k,則di,j,k = di,j,k-1。

因此,di,j,k = min(di,k,k-1 + dk,j,k-1 , di,j,k-1)。

在實際演算法中,為了節約空間,可以直接在原來空間上進行迭代,這樣空間可降至二維。

floyd-warshall演算法的描述如下:

for k ← 1 to n do 

for i ← 1 to n do 

for j ← 1 to n do 

if (di,k + dk,j < di,j) then  

di,j ← di,k + dk,j; 

其中di,j表示由點i到點j的代價,當di,j為 ∞ 表示兩點之間沒有任何連線。

dijkstra

求單源、無負權的最短路。時效性較好,時間複雜度為o(v*v+e),可以用優先佇列進行優化,優化後時間複雜

度變為0(v*lgn)。

源點可達的話,o(v*lgv+e*lgv)=>o(e*lgv)。

當是稀疏圖的情況時,此時e=v*v/lgv,所以演算法的時間複雜度可為o(v^2) 。可以用優先佇列進行優化,優

化後時間複雜度變為0(v*lgn)。

bellman-ford

求單源最短路,可以判斷有無負權迴路(若有,則不存在最短路),時效性較好,時間複雜度o(ve)。

bellman-ford演算法是求解單源最短路徑問題的一種演算法。

單源點的最短路徑問題是指:給定乙個加權有向圖g和源點s,對於圖g中的任意一點v,求從s到v的最短路徑。

與dijkstra演算法不同的是,在bellman-ford演算法中,邊的權值可以為負數。設想從我們可以從圖中找到乙個環

路(即從v出發,經過若干個點之後又回到v)且這個環路中所有邊的權值之和為負。那麼通過這個環路,環路

中任意兩點的最短路徑就可以無窮小下去。如果不處理這個負環路,程式就會永遠執行下去。 而bellman-ford

演算法具有分辨這種負環路的能力。

spfa

是bellman-ford的佇列優化,時效性相對好,時間複雜度o(ke)。(k<

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