【动态规划】每对顶点之间的最短路径之Floyd-Warshall算法

《算法导论》25.2. 《计算机算法(C++版)》5.3.

当然这个算法的实现是相当简单的,只使用了三重循环,时间复杂度为O(n^3)。但是重点是算法背后的思想,一般教材都把这个算法当做典型的图算法来讲,却没有讲到背后动态规划的思想。不过《计算机算法(C++版)》做到了这一点。此题的最优子结构很明显,假设i到j的最短路径是d<i, j>,那么明显对路径上的任一点k,有d<i, k>、d<k, j>都是最短路径。但是这样的子问题很难描述,因为两个子问题虽然明确了,但是状态并没有明确。我们想到在矩阵链乘法里,我们只要从i到j枚举k,有j-i个状态选择,因为加括号天然有序,所以我们可以保证AiAi+1…Ak和Ak+1Ak+2…Aj两个子链是不相交的,而在图中,我们不能保证这一点。解决办法是,对于每个k对应下的状态,我们让Ak(i, j)表示从i到j但不经过索引大于k的定点的最短路径的长度,这样d<i, k>的路径就不会经过d<k, j>路径中已经经过的结点,因为它们的索引大于k。当然受此启发我们也可以定义A(i, j)为表示从i到j但不经过索引小于k的定点的最短路径的长度,然后从j顶点反向遍历。

C++代码如下:

#include <iostream>
#include <limits>
#include <cstring>
#include <fstream>
using namespace std;

const int SIZE = 101;
float cost[SIZE][SIZE];
float A[SIZE][SIZE];
int   P[SIZE][SIZE];

void PrintCost(float A[][SIZE], int n)
{
	for(int i=1; i<=n; i++)
	{
		for(int j=1; j<=n; j++)
		{
				cout << A[i][j] << ' ';
		}
		cout << endl;
	}

}

void AllPaths(float cost[][SIZE], float A[][SIZE], int n)
{
	cout << "Graph weight:" << endl;
	PrintCost(cost, n);
	for(int i=1; i<=n; i++)
		for(int j=1; j<=n; j++)
		{
			A[i][j] = cost[i][j];
		}
	for(int k=1; k<=n; k++)
	{
		for(int i=1; i<=n; i++)
			for(int j=1; j<=n; j++)
			{
				if(A[i][k] + A[k][j] < A[i][j])
				{
					A[i][j] = A[i][k] + A[k][j];
					P[i][j] = k;
				}
			} 
		cout << "A" << k << ":" << endl;
		PrintCost(A, n);
	}
}

void PrintPath(int i, int j)
{
	int k = P[i][j];	
	if(k == 0)
		return;

	PrintPath(i, k);
	cout << k << "--";
	PrintPath(k, j);
}

void PrintAllPath(int n)
{
	for(int i=1; i<=n; i++)
		for(int j=1; j<=n; j++)
		{
			if(j != i)
			{
				cout << "Path from " << i << " to " << j << ": " << endl;
				cout << i << "--";
				PrintPath(i, j);
				cout << j << endl;
			}
		}
}

int main()
{
	int n = 5;

	memset(A, 0, sizeof(float)*SIZE*SIZE);
	memset(P, 0, sizeof(float)*SIZE*SIZE);
	memset(cost, 0, sizeof(float)*SIZE*SIZE);

	ifstream file("allpaths2.txt");
	for(int i=1; i<=n; i++)
		for(int j=1; j<=n; j++)
		{
			if(file.eof())
				break;
			file >> cost[i][j];
		}
	AllPaths(cost, A, n);
	PrintAllPath(n);
	
	return 0;
}

测试数据allpaths2.txt:

0 3 8 2147483647 -4
2147483647 0 2147483647 1 7
2147483647 4 0 2147483647 2147483647
2 2147483647 -5 0 2147483647
2147483647 2147483647 2147483647 6 0

输出结果:

【动态规划】每对顶点之间的最短路径之Floyd-Warshall算法_第1张图片

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