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最短路徑問題的原理及畫法

生活 更新时间:2024-12-05 07:44:13

最短路徑問題是圖論研究中的一個經典算法問題,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。算法具體的形式包括:

  • 确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。适合使用Dijkstra算法。

  • 确定終點的最短路徑問題 - 與确定起點的問題相反,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确定起點的問題完全等同,在有向圖中該問題等同于把所有路徑方向反轉的确定起點的問題。

  • 确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。

  • 全局最短路徑問題 - 求圖中所有的最短路徑。适合使用Floyd-Warshall算法。

用于解決最短路徑問題的算法被稱做“最短路徑算法”,有時被簡稱作“路徑算法”。最常用的路徑算法有:

  • Dijkstra算法

  • A*算法

  • Bellman-Ford算法

  • SPFA算法(Bellman-Ford算法的改進版本)

  • Floyd-Warshall算法

  • Johnson算法

  • Bi-Direction BFS算法

帶約束條件的最短路問題

以上說明的是基本最短路問題,這裡要介紹的是帶有約束條件的最短路問題,例如:

  1. 最多走10步

  2. 有必須要經過的點、邊

  3. 有不能經過的點、邊

解決方法其實隻需要一個思路:拆點構圖,即點附狀态。約束條件有幾種可能的組合方式,就有幾種狀态。例如,最多走5步,有兩個必須經過的點,有兩個必須經過的邊,(先不考慮不能經過),那麼狀态數就是,6*3*3=54,即每個點有54種狀态。

以Dijkstra為例

先來複習下Dijkstra算法,其僞代碼如下:

最短路徑問題的原理及畫法(帶約束條件的最短路問題)1

考慮上述拆點構圖我們需要做什麼呢?首先在描述距離的數組d要增加維度,例如d[n][54]。這樣,我們的以确定最優路徑集合S,未确定最優集合Q,就不能再是單純的點集,而應該是(點 狀态)集。其次在11到14行,以确定最優點優化其他點是,應當根據約束條件計算出被優化點的狀态是什麼,再去更新該狀态的點。同樣previous數組也應記錄的是,s1狀态點p1的前一點是s0狀态的點p0

最後,考慮不能經過的點、邊,估計你早有思路,就是把該點、邊從你的圖結構中直接抹去。

OK,到此為止,闡述完畢。

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