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漫画:图的 “多源” 最短路径

蠢萌的小灰 程序人生 2019-07-11



—————  第二天  —————








小灰的思路如下:

第一步,利用迪杰斯特拉算法的距离表,求出从顶点A出发,到其他各个顶点的最短距离:



第二步,继续使用迪杰斯特拉算法,求出从顶点B出发,到其他各个顶点的最短距离。

第三步,从顶点C出发,到各个顶点的最短距离。

第四步,从顶点D出发......

.......

就像这样,一直遍历到顶点G。

这个思路的时间复杂度是多少呢?

假如图中有n个顶点,如果不考虑堆优化,一次迪杰斯特拉算法的时间复杂度是O(n^2)。所以,把每一个顶点都计算一遍,总的时间复杂度是O(n^3)。






————————————








举一个栗子:


上图的顶点A和顶点C没有直接相连的边,它们之间的直接距离是无穷大。

如果以B作为“中继顶点”,此时A到C的最短路径就是A-B-C,最短距离是3+2=5。



再举一个栗子:



上图的顶点A和顶点C直接相连,距离是6。但是存在一条“迂回”路径A-B-C,距离是3+2=5<6。

所以,经过中继顶点B,从A到C的最短距离可以是5。





下面我们来看一看Floyd算法的详细步骤。

1.要实现Floyd算法,首先需要构建带权图的邻接矩阵:

在邻接矩阵当中,每一个数字代表着从某个顶点到另一个顶点的直接距离,这个距离是没有涉及到任何中继顶点的。

2.此时假定只允许以顶点A作为中继顶点,那么各顶点之间的距离会变成什么样子呢?

B和C之间的距离原本是无穷大,此时以A为中继,距离缩短为AB距离+AC距离=

5+2=7。

更新对应矩阵元素(橙色区域代表顶点A到其他顶点的临时距离):

3.接下来以顶点A、B作为中继顶点,那么各顶点之间的距离会变成什么样子呢?

A和D之间的距离原本是无穷大,此时以B为中继,距离缩短为AB距离+BD距离=5+1=6。

A和E之间的距离原本是无穷大,此时以B为中继,距离缩短为AB距离+BE距离=5+6=11。

更新对应矩阵元素(橙色区域代表顶点B到其他顶点的临时距离):



4.接下来以顶点A、B、C作为中继顶点,那么各顶点之间的距离会变成什么样子呢?

A和F之间的距离原本是无穷大,此时以C为中继,距离缩短为AC距离+CF距离=2+8=10。

更新对应矩阵元素(橙色区域代表顶点C到其他顶点的临时距离):


.........

.........

以此类推,我们不断引入新的中继顶点,不断刷新矩阵中的临时距离。

最终,当所有顶点都可以作为中继顶点时,我们的距离矩阵更新如下:



此时,矩阵中每一个元素,都对应着某顶点到另一个顶点的最短距离。


为什么这么说呢?让我们回顾一下动态规划的两大要素:

问题的初始状态
问题的状态转移方程式

对于寻找图的所有顶点之间距离的问题,初始状态就是顶点之间的直接距离,也就是邻接矩阵。

而问题的状态转移方程式又是什么呢?

假设新引入的中继顶点是n,那么:

顶点i 到 顶点j 的新距离 = Min(顶点i 到 顶点j 的旧距离,顶点i 到 顶点n 的距离+顶点n 到 顶点j 的距离)


  1. final static int INF = Integer.MAX_VALUE;



  2. public static void floyd(int[][] matrix){


  3. //循环更新矩阵的值


  4. for(int k=0; k<matrix.length; k++){


  5. for(int i=0; i<matrix.length; i++){


  6. for(int j=0; j<matrix.length; j++){


  7. if(matrix[i][k] == INF || matrix[k][j] == INF) {


  8. continue;


  9. }


  10. matrix[i][j] = Math.min(matrix[i][j], matrix[i][k] + matrix[k][j]);


  11. }


  12. }


  13. }


  14. // 打印floyd最短路径的结果


  15. System.out.printf("最短路径矩阵: \n");


  16. for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {


  17. for (int j = 0; j < matrix.length; j++)


  18. System.out.printf("%3d ", matrix[i][j]);


  19. System.out.printf("\n");


  20. }


  21. }








  1. public static void main(String[] args) {


  2. int[][] matrix = {


  3. {0, 5, 2, INF, INF, INF, INF},


  4. {5, 0, INF, 1, 6, INF, INF},


  5. {2, INF, 0, 6, INF, 8, INF},


  6. {INF, 1, 6, 0, 1, 2, INF},


  7. {INF, 6, INF, 1, 0, INF, 7},


  8. {INF, INF, 8, 2, INF, 0, 3},


  9. {INF, INF, INF, INF, 7, 3, 0}


  10. };


  11. floyd(matrix);


  12. }



文章来自小灰,小灰的《漫画算法》上市后销量疯涨,出版社加印了好几次!占据各大电商图书板块第一位!

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小灰把两年多以来积累的漫画作品进行了筛选和优化,并加上了一些更为基础和系统的入门章节,最终完成了本书的六大篇章:


第一章 算法概述

介绍了算法和数据结构的相关概念,告诉大家算法是什么,数据结构又是什么,它们有哪些用途,如何分析时间复杂度,如何分析空间复杂度。

第二章 数据结构基础

介绍了最基本的数据结构,包括数组、链表、栈、队列、哈希表的概念和读写操作。

第三章 树

介绍了树和二叉树的概念、二叉树的各种遍历方式、二叉堆和优先队列的应用。

第四章 排序算法

介绍了几种典型的排序算法,包括冒泡排序、快速排序、堆排序、计数排序、桶排序。

第五章 面试中的算法

介绍了10余道职场上流行的算法面试题及详细的解题思路。例如怎样判断链表有环、怎样计算大整数相加等。

第六章 算法的实际应用

介绍了算法在职场上的一些应用,例如使用LRU算法来淘汰冷数据,使用Bitmap算法来统计用户特征等。


本书是全彩印制,书中的每一章、每一节、每一句话、每一幅图、每一行代码,都经过了小灰和编辑们的精心打磨,力求用最为直白的方式把知识讲明白、讲透彻。


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