京东一面:图中两个顶点的最短路径——Dijkstra算法原理

数据结构好像忘了看关于图的,然后只说了,深度优先遍历和广度优先遍历。

原文地址:

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3711516.html

Dijkstra算法

1.定义概览

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法是典型的单源最短路径算法,用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展,直到扩展到终点为止。Dijkstra算法是很有代表性的最短路径算法,在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍,如数据结构,图论,运筹学等等。注意该算法要求图中不存在负权边。

问题描述:在无向图 G=(V,E) 中,假设每条边 E[i] 的长度为 w[i],找到由顶点 V0 到其余各点的最短路径。(单源最短路径)

2.算法描述(算法很抽象,直接看例子)

1)算法思想:设G=(V,E)是一个带权有向图,把图中顶点集合V分成两组,第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示,初始时S中只有一个源点,以后每求得一条最短路径 , 就将加入到集合S中,直到全部顶点都加入到S中,算法就结束了),第二组为其余未确定最短路径的顶点集合(用U表示),按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中,总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外,每个顶点对应一个距离,S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度,U中的顶点的距离,是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。

(1) 初始时,S只包含起点s;U包含除s外的其他顶点,且U中顶点的距离为”起点s到该顶点的距离”[例如,U中顶点v的距离为(s,v)的长度,然后s和v不相邻,则v的距离为∞]。

(2) 从U中选出”距离最短的顶点k”,并将顶点k加入到S中;同时,从U中移除顶点k。

(3) 更新U中各个顶点到起点s的距离。之所以更新U中顶点的距离,是由于上一步中确定了k是求出最短路径的顶点,从而可以利用k来更新其它顶点的距离;例如,(s,v)的距离可能大于(s,k)+(k,v)的距离。

(4) 重复步骤(2)和(3),直到遍历完所有顶点。

 

以上图G4为例,来对迪杰斯特拉进行算法演示(以第4个顶点D为起点)。




初始状态:S是已计算出最短路径的顶点集合,U是未计算除最短路径的顶点的集合!
第1步:将顶点D加入到S中。
    此时,S={D(0)}, U={A(∞),B(∞),C(3),E(4),F(∞),G(∞)}。     注:C(3)表示C到起点D的距离是3。

第2步:将顶点C加入到S中。
    上一步操作之后,U中顶点C到起点D的距离最短;因此,将C加入到S中,同时更新U中顶点的距离。以顶点F为例,之前F到D的距离为∞;但是将C加入到S之后,F到D的距离为9=(F,C)+(C,D)。
    此时,S={D(0),C(3)}, U={A(∞),B(23),E(4),F(9),G(∞)}。

第3步:将顶点E加入到S中。
    上一步操作之后,U中顶点E到起点D的距离最短;因此,将E加入到S中,同时更新U中顶点的距离。还是以顶点F为例,之前F到D的距离为9;但是将E加入到S之后,F到D的距离为6=(F,E)+(E,D)。
    此时,S={D(0),C(3),E(4)}, U={A(∞),B(23),F(6),G(12)}。

第4步:将顶点F加入到S中。
    此时,S={D(0),C(3),E(4),F(6)}, U={A(22),B(13),G(12)}。

第5步:将顶点G加入到S中。
    此时,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12)}, U={A(22),B(13)}。

第6步:将顶点B加入到S中。
    此时,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13)}, U={A(22)}。

第7步:将顶点A加入到S中。
    此时,S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}。

此时,起点D到各个顶点的最短距离就计算出来了:A(22) B(13) C(3) D(0) E(4) F(6) G(12)


例子中的B{13}写错了

java代码:


public class dijkstraMethod {
    private final int INF = Integer.MAX_VALUE;
    int [][] Matrix;
    char[] Nodes;
    public dijkstraMethod(char[] Nodes, int [][] Matrix)
    {
        this.Nodes = Nodes;
        this.Matrix = Matrix;
    }

    /**
     *
     * @param node
     * @param distance
     */
    public void dijkstra(int node, int [] distance)
    {
        boolean [] flag = new boolean[Nodes.length];
        for(int i = 0 ;i<Nodes.length;i++)
        {
            flag[i] = false;
            distance[i] = Matrix[node][i];
        }
        flag[node] = true;
        distance[node] = 0;
        int k = 0;
        for(int i = 1;i<Nodes.length;i++)
        {
            int min = INF;
            for(int j = 0;j<Nodes.length;j++)
            {
                if(!flag[j]&&distance[j] < min)
                {
                    k = j;
                    min = distance[j];
                }
            }
            flag[k] = true;

            for(int j = 0;j<Nodes.length;j++)
            {
                int len = Matrix[k][j] ==INF?INF:min+Matrix[k][j];
                if(!flag[j]&&len<distance[j])
                    distance[j] = len;
            }
        }
        System.out.printf("Dijkstra(%c): \n", Nodes[node]);
        for(int i = 0; i<Nodes.length;i++)
        {
            System.out.printf(" shortest(%c, %c) = %d\n", Nodes[node],Nodes[i], distance[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int INF = Integer.MAX_VALUE;

        char[] Nodes = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E'};
        int matrix[][] = {
                /*A*//*B*//*C*//*D*/
                /*A*/ {0,1,5,INF,INF},
                /*B*/ {1,0,2,4,INF},
                /*C*/ {5,2,0,1,1},
                /*D*/ {INF,4,1,0,2},
                      {INF,INF,1,2,0}
        };

        int[] dist = new int[Nodes.length];

        dijkstraMethod dijkstra = new dijkstraMethod(Nodes, matrix);
        dijkstra.dijkstra(2, dist);

    }

}

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