算法笔记---最短路径之bellman-ford算法

最短路径之bellman-ford算法

Dijkstra算法是处理单源最短路径的有效算法，但它局限于边的权值非负的情况，若图中出现权值为负的边，Dijkstra算法就会失效，求出的最短路径就可能是错的。这时候，就需要使用其他的算法来求解最短路径，Bellman-Ford算法就是其中最常用的一个。该算法由美国数学家理查德•贝尔曼（Richard
Bellman, 动态规划的提出者）和小莱斯特•福特（Lester Ford）发明。Bellman-Ford算法的流程如下：

给定图G(V, E)（其中V、E分别为图G的顶点集与边集），源点s，

数组Distant[i]记录从源点s到顶点i的路径长度，初始化数组Distant
为, Distant[s]为0；

以下操作循环执行至多n-1次，n为顶点数：

对于每一条边e(u, v)，如果Distant[u] + w(u, v) < Distant[v]，则另Distant[v] = Distant[u]+w(u, v)。w(u, v)为边e(u,v)的权值；

若上述操作没有对Distant进行更新，说明最短路径已经查找完毕，或者部分点不可达，跳出循环。否则执行下次循环；
为了检测图中是否存在负环路，即权值之和小于0的环路。对于每一条边e(u, v)，如果存在Distant[u] + w(u, v) < Distant[v]的边，则图中存在负环路，即是说改图无法求出单源最短路径。否则数组Distant
中记录的就是源点s到各顶点的最短路径长度。

可知，Bellman-Ford算法寻找单源最短路径的时间复杂度为O(V*E).
首先介绍一下松弛计算。如下图：



松弛计算之前，点B的值是8，但是点A的值加上边上的权重2，得到5，比点B的值（8）小，所以，点B的值减小为5。这个过程的意义是，找到了一条通向B点更短的路线，且该路线是先经过点A，然后通过权重为2的边，到达点B。

当然，如果出现一下情况



则不会修改点B的值，因为3＋4>6。

Bellman－Ford算法可以大致分为三个部分

第一，初始化所有点。每一个点保存一个值，表示从原点到达这个点的距离，将原点的值设为0，其它的点的值设为无穷大（表示不可达）。

第二，进行循环，循环下标为从1到n－1（n等于图中点的个数）。在循环内部，遍历所有的边，进行松弛计算。

第三，遍历途中所有的边（edge（u，v）），判断是否存在这样情况：

d（v） > d (u) + w(u,v)

则返回false，表示途中存在从源点可达的权为负的回路。

之所以需要第三部分的原因，是因为，如果存在从源点可达的权为负的回路。则 应为无法收敛而导致不能求出最短路径。

考虑如下的图：



经过第一次遍历后，点B的值变为5，点C的值变为8，这时，注意权重为－10的边，这条边的存在，导致点A的值变为－2。（8＋ －10＝－2）



第二次遍历后，点B的值变为3，点C变为6，点A变为－4。正是因为有一条负边在回路中，导致每次遍历后，各个点的值不断变小。

在回过来看一下bellman－ford算法的第三部分，遍历所有边，检查是否存在d（v） > d (u) + w(u,v)。因为第二部分循环的次数是定长的，所以如果存在无法收敛的情况，则肯定能够在第三部分中检查出来。比如



此时，点A的值为－2，点B的值为5，边AB的权重为5，5 > -2 + 5. 检查出来这条边没有收敛。

所以，Bellman－Ford算法可以解决图中有权为负数的边的单源最短路径问。
实现hdu-oj-1874代码如下：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#define inf 999999
using namespace std;

int map[500][500];
int n,m;
int i,j,k;
int s,e;
int x,y,z;
int dis[500];

void bellman(int n)
{
for (i=0; i<n; i++)
{
dis[i]=map[s][i];//初始化
}
for (i=2; i<=n; i++)
{
for (j=0; j<=n-1; j++)
{
if (j!=s)
{
for (k=0; k<=n-1; k++)
{
if (dis[j]>dis[k]+map[k][j])//松弛（顺序一定不能反~）
dis[j]=dis[k]+map[k][j];
}
}
}
}

if (dis[e]==inf)
printf("-1\n");
else
printf("%d\n",dis[e]);
}
int main()
{
while (scanf("%d %d",&n,&m)!=EOF)
{
for(i=0; i<n; i++)
{
for(j=0; j<n; j++)
{
map[i][j]=inf;
}
map[i][i]=0;
}
for (i=0; i<m; i++)
{
scanf("%d %d %d",&x,&y,&z);
if (map[x][y]>z)
{
map[x][y]=map[y][x]=z;
}
}
scanf("%d%d",&s,&e);
bellman(n);
}
return 0;
}