Bellman_ford算法

原文链接:http://www.cnblogs.com/Jason-Damon/archive/2012/04/21/2460850.html

摘自百度百科    

          Bellman-ford算法是求含负权的单源最短路径算法,效率很低,但代码很容易写。即进行不停地松弛(relaxation),每次松弛把每条边都更新一下,若n-1次松弛后还能更新,则说明图中有负环(即负权回路,本文最后有解释),无法得出结果,否则就成功完成。Bellman-ford算法有一个小优化:每次松弛先设一个旗帜flag,初值为FALSE,若有边更新则赋值为TRUE,最终如果还是FALSE则直接成功退出。Bellman-ford算法浪费了许多时间做无必要的松弛,所以SPFA算法用队列进行了优化,效果十分显著,高效难以想象。SPFA还有SLF,LLL,滚动数组等优化。

      Dijkstra算法中不允许边的权是负权,如果遇到负权,则可以采用Bellman-Ford算法。

 

  Bellman-Ford算法能在更普遍的情况下(存在负权边)解决单源点最短路径问题。对于给定的带权(有向或无向)图 G=(V,E),其源点为s,加权函数w是 边集 E 的映射。对图G运行Bellman-Ford算法的结果是一个布尔值,表明图中是否存在着一个从源点s可达的负权回路。若不存在这样的回路,算法将给出从源点s到 图G的任意顶点v的最短路径d[v]。

 

  适用条件&范围

 

  1.单源最短路径(从源点s到其它所有顶点v);

 

  2.有向图&无向图(无向图可以看作(u,v),(v,u)同属于边集E的有向图);

 

  3.边权可正可负(如有负权回路输出错误提示);

 

  4.差分约束系统;

 

  Bellman-Ford算法描述:

 

  1,.初始化:将除源点外的所有顶点的最短距离估计值 d[v] ←+∞, d[s] ←0;

 

  2.迭代求解:反复对边集E中的每条边进行松弛操作,使得顶点集V中的每个顶点v的最短距离估计值逐步逼近其最短距离;(运行|v|-1次)

 

  3.检验负权回路:判断边集E中的每一条边的两个端点是否收敛。如果存在未收敛的顶点,则算法返回false,表明问题无解;否则算法返回true,并且从源点可达的顶点v的最短距离保存在 d[v]中。

 

  描述性证明:

 

  首先指出,图的任意一条最短路径既不能包含负权回路,也不会包含正权回路,因此它最多包含|v|-1条边。

 

  其次,从源点s可达的所有顶点如果 存在最短路径,则这些最短路径构成一个以s为根的最短路径树。Bellman-Ford算法的迭代松弛操作,实际上就是按顶点距离s的层次,逐层生成这棵最短路径树的过程。

 

  在对每条边进行1遍松弛的时候,生成了从s出发,层次至多为1的那些树枝。也就是说,找到了与s至多有1条边相联的那些顶点的最短路径;对每条边进行第2遍松弛的时候,生成了第2层次的树枝,就是说找到了经过2条边相连的那些顶点的最短路径……。因为最短路径最多只包含|v|-1 条边,所以,只需要循环|v|-1 次。

 

  每实施一次松弛操作,最短路径树上就会有一层顶点达到其最短距离,此后这层顶点的最短距离值就会一直保持不变,不再受后续松弛操作的影响。(但是,每次还要判断松弛,这里浪费了大量的时间,怎么优化?单纯的优化是否可行?)

 

  如果没有负权回路,由于最短路径树的高度最多只能是|v|-1,所以最多经过|v|-1遍松弛操作后,所有从s可达的顶点必将求出最短距离。如果 d[v]仍保持 +∞,则表明从s到v不可达。

 

  如果有负权回路,那么第 |v|-1 遍松弛操作仍然会成功,这时,负权回路上的顶点不会收敛。

C++ pseudo code

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Bellman-Ford(G,w,s) :boolean //图G ,边集 函数 w ,s为源点   

for each vertex v ∈ V(G) do //初始化 1阶段   

          d[ v] ←+∞ 

 d[s] ←0; //1阶段结束 

 for i=1 to |v|-1 do //2阶段开始,双重循环。

    for each edge(u,v) ∈E(G) do //边集数组要用到,穷举每条边。           If d[v]> d[u]+ w(u,v) then //松弛判断,w(w,v)是u到v的权值

             d[v]=d[u]+w(u,v) //松弛操作 2阶段结束 

 for each edge(u,v) ∈E(G) do

   If d[v]> d[u]+ w(u,v) then

         Exit false   //存在负权回路

 Exit true 
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 负权回路

 在一个图里每条边都有一个权值(有正有负)
如果存在一个环(从某个点出发又回到自己的路径),而且这个环上所有权值之和是负数,那这就是一个负权环,也叫负权回路
存在负权回路的图是不能求两点间最短路的,因为只要在负权回路上不断兜圈子,所得的最短路长度可以任意小。(转自百度知道)

 代码实现:

  Bellman-ford算法的运行时间为O(VE),V为顶点数,E为边数。

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/*************************************************************************

    > File Name: Bellman_ford.cpp

    > Author: He Xingjie

    > Mail: [email protected]

    > Created Time: 2014年06月08日 星期日 22时33分07秒

    > Description: 

 ************************************************************************/

#include<iostream>

#include<cstdio>



using namespace std;



#define INF 99999

int map[100][100], dist[100];



bool Bellman_ford(int n, int s)

{

    int v, u;



    for (v=1; v<n; v++)

    {

        if (map[s][v] == INF)

            dist[v] = INF;

        else

            dist[v] = map[s][v];

    }



    dist[s] = 0;



    for (v=1; v<n; v++)

        for (u=0; u<n; u++)

            if (map[u][v] < INF)  //u->v has path

                if (dist[v] > dist[u] + map[u][v])

                    dist[v] = dist[u] + map[u][v];



    //遍历所有的边

    for (v=0; v<n; v++)

        for (u=0; u<n; u++)

            if (v != u && map[u][v] != INF)

                if (dist[v] > dist[u] + map[v][u])

                    return false;



    return true;

}



void PrintMap(int n)

{

    int i, j;

    //输出矩阵

    for (i=0; i<n; i++)

    {

        for (j=0; j<n; j++)

        {

            if (map[i][j] == INF)

                printf("INF ");

            else

                printf("%d  ", map[i][j]);

        }



        printf("\n");

    }

}



void PrintShortestValue(int n)

{

    int i;



    for (i=1; i<n; i++)

        printf("%d:%d ", i, dist[i]);

    printf("\n");

}



int main()

{

    int n, m, i, j;



    freopen("input.txt", "r", stdin);

    cin>>n>>m;    //n是顶点数,m是边数



    //初始化

    for (i=0; i<n; i++)

    {

        for (j=0; j<n; j++)

            map[i][j] = INF;

    }



    //输入

    for(int i=1; i<=m; i++)

    {

        int i,j;

        cin>>i>>j;

        cin>>map[i][j];

    }



    PrintMap(n);



    Bellman_ford(n, 0);

    PrintShortestValue(n);



    return 0;

}
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