最短路径算法—Bellman-Ford(贝尔曼-福特)算法分析与实现(C/C++)

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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。

适用条件&范围：

单源最短路径(从源点s到其它所有顶点v);

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);

边权可正可负(如有负权回路输出错误提示);

差分约束系统;

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).

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。

测试代码如下：（下面为有向图的Bellman-Ford算法。。。。。）

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#include<iostream>

#include<cstdio>

using namespace std;

#define MAX 0x3f3f3f3f

#define N 1010

int nodenum, edgenum, original; //点，边，起点

typedef struct Edge //边

{

int u, v;

int cost;

}Edge;

Edge edge
;

int dis
, pre
;

bool Bellman_Ford()

{

for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //初始化

dis[i] = (i == original ? 0 : MAX);

for(int i = 1; i <= nodenum - 1; ++i)

for(int j = 1; j <= edgenum; ++j)

if(dis[edge[j].v] > dis[edge[j].u] + edge[j].cost) //松弛（顺序一定不能反~）

{

dis[edge[j].v] = dis[edge[j].u] + edge[j].cost;

pre[edge[j].v] = edge[j].u;

}

bool flag = 1; //判断是否含有负权回路

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

if(dis[edge[i].v] > dis[edge[i].u] + edge[i].cost)

{

flag = 0;

break;

}

return flag;

}

void print_path(int root) //打印最短路的路径（反向）

{

while(root != pre[root]) //前驱

{

printf("%d-->", root);

root = pre[root];

}

if(root == pre[root])

printf("%d\n", root);

}

int main()

{

scanf("%d%d%d", &nodenum, &edgenum, &original);

pre[original] = original;

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

{

scanf("%d%d%d", &edge[i].u, &edge[i].v, &edge[i].cost);

}

if(Bellman_Ford())

for(int i = 1; i <= nodenum; ++i) //每个点最短路

{

printf("%d\n", dis[i]);

printf("Path:");

print_path(i);

}

else

printf("have negative circle\n");

return 0;

}