数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

最短路径是指连接图中两个顶点的路径中,所有边构成的权值之和最小的路径。之前提到的广度优先遍历图结构,其实也是一种计算最短路径的方式,只不过广度遍历中,边的长度都为单位长度,所以路径中经过的顶点的个数即为权值的大小。

最短路径中不能包含负权回路,因为每次经过负权回路,路径的权值会减少,所以这种情况下不存在最短路径。有些图结构中会存在负权边,用于表达通过某条途径可以降低总消耗,在有向图中,负权边不一定会形成负权回路,所以在一些计算最短路径算法中,负权边也可以计算出最短路径;在无向图中,负权边就意味着负权回路,所以无向图中不能存在负权边。后续的所有讨论都设定图中不存在负权回路的情况。

松弛函数

对边集合 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 中任意边,以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的边的权值,以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示当前从起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径权值

若存在边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,使得:

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

则更新 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 值:

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

所以松弛函数的作用,就是判断是否经过某个顶点,或者说经过某条边,可以缩短起点到终点的路径权值。

为什么将缩短距离的操作称之为“松弛”,不妨理解为,选择某种方式后,到达目的的总代价降低了。什么名字无关紧要,不必纠结。

松弛函数代码示例
def releax(edge, distance, parent):
    if distance[edge.begin - 1] == None:
        pass
    elif distance[edge.end - 1] == None or distance[edge.end - 1] > distance[edge.begin - 1] + edge.weight:
        distance[edge.end - 1] = distance[edge.begin - 1] + edge.weight
        parent[edge.end - 1] = edge.begin - 1
        return True
    return False

distance 列表存储从起点到当前顶点的路径权值,parent 列表存储到当前顶点的前驱顶点下标值。初始 distance 列表和parent 列表元素皆为 None,表示路径权值为无穷大,处于不可达状态。

松弛函数执行次数

以对边集合 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 中每条边执行一次松弛函数作为一次迭代,接下来判断需要执行多少次迭代,可以确保计算出起点到每个顶点的最短距离。

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 digraph

以图 digraph 为例,各顶点之间边的长度如图中所示。以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的距离,以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的最短路径权值,以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示从顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径。初始情况 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

digraph 图中可以明显发现,若已知 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,则对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数后,即可更新 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值。若已更新 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值,则对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数后,即可更新 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值。

最好情况下分析:

若遍历松弛的边顺序为:《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,其他两条边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 顺序无影响

第一次迭代:

对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

因为图结构比较简单,所以可以直接由观察得知,经过第一次迭代,即得出从起点到各个顶点的最短路径权值。

最坏情况下分析:

若遍历松弛的边顺序为:《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,其他三条边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 顺序无影响

第一次迭代:

对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

第一次迭代,有三条边起到了松弛的效果,直观的可以看出 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,第一次迭代可以获得经过一个顶点的最短路径,路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

第二次迭代:

对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

第二次迭代,有一条边起到了松弛的效果,直观的可以看出 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,第二次迭代可以获得经过两个顶点的最短路径,路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

第三次迭代:

对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》
对边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 执行松弛函数,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

第三次迭代,有一条边起到了松弛的效果,直观的可以看出 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,第三次迭代可以获得经过三个顶点的最短路径,路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,路径如下图所示:

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

迭代次数分析:

为了方便后续讨论,对于顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,若已确定 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,即已确定从起点到该顶点的最短路径权值,这里不妨称该顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 为已确认顶点。后续以路径长度表示从起点到顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径上,经过的顶点个数。例如,对于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,路径权值为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,路径长度为 3。

通过前面的示例过程可以推论:

若图中存在未确认的顶点,则对边集合的一次迭代松弛后,会增加至少一个已确认顶点

推论的意思是指,对图中顶点的确认,是以一种波纹扩散的方式进行的,这里增长的扩散半径是指路径中已确认顶点的个数,而不是路径的权值,并且路径中不包含未确认顶点。

注意路径长度和路径权值并无绝对关系,例如若 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的最短路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的最短路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,虽然 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径长度大于 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,但是 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值并不一定大于 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》。例如上图中,若边 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值为 -2 而不是 2,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值为 -1,而不是 3,即路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值要小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

推论证明

初始情况下,只有起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 属于已确认顶点,根据邻接表记录,若起点存在相邻顶点,则对边集进行一次迭代松弛后,会增加至少一个已确认顶点。

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

反证说明:

若一次迭代后,起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的所有相邻顶点都仍处于未确认状态,即一次迭代后,对于任意相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,存在 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

则对于任意由起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发到相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,存在由起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发经过相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到达顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,使得路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值,即可以减小 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值。

  • 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值,说明路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 权值为负数,即图中存在负权回路,与讨论背景不符,如下图所示。

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

  • 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,对于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 中的 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 部分,因为对于任意相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,存在 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,所以同样存在由起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发经过相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到达顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,使得路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值,更新路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》。如此重复,若起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的相邻顶点不为无穷多,则必然在某一时刻,更新路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,使得路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值,即图中存在负权回路,与讨论背景不符,如下图所示。

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

所以对于初始状态的起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 而言,执行一次迭代后,至少会增加一个已确认顶点。

一般性的,当图中已经存在一个或多个已确认顶点时,即图处于任意一种状态,若图中尚存在未确认顶点,则执行一次迭代后,会增加至少一个已确认顶点。

证明过程与上面类似,使用下图作为辅助说明:

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 example

图中红色顶点表示已确认顶点,黑色顶点表示未确认顶点,红色路径表示由起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发到各顶点的最短路径,该图用于辅助理解,所以并未标识边的权值。

对于图中的所有最短路径,以 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 表示每条最短路径上的最后一个顶点,其中 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》。若一次迭代后,每个顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的相邻顶点中都未增加已确认顶点。则对于每个顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,总会存在经过顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 及其相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到达 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,使得路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值小于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的权值。同理,对于路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 中的 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 部分,总会存在更短的经过顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的路径去减少路径权值。因为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,若顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的相邻顶点个数不为无穷大,则必然存在负权回路,与讨论背景不符。

所以图处于任意一种状态时,若图中尚存在未确认顶点,则执行一次迭代后,会增加至少一个已确认顶点。

辅助说明:

若某条最短路径上的最后一个顶点存在未确认相邻顶点,经过一次迭代松弛后,若经过该顶点的最短路径上未新增已确认顶点,则无论后续经过多少次迭代松弛,经过该顶点的最短路径上都不会新增已确认顶点,即该条路径已经走到头了。

以上图 example 为例,当前已确认顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 存在两个未确认相邻顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》。若执行一次迭代松弛后,并未存在从起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发经过 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到达 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的最短路径,则永远不会存在从起点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 出发经过 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 到达 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的最短路径。

不妨假设经过某次迭代后,存在最短路径为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,即 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》。因为在上一次的迭代后,《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 的值已确定,但最短路径 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 并未添加顶点 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,即 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,存在悖论。

所以对于任意一条最短路径,若一次迭代后未新增已确认顶点,则该最短路径上不会再新增已确认顶点。

若图中存在由起点不可达的顶点,则这些顶点的初始化状态即为最短路径状态,即初始化时就处于已确认状态。

迭代次数结论

根据之前的结论,若图中存在未确认顶点,则每一次迭代后都会新增加至少一个已确认顶点,即图中某条最短路径长度会至少加一。则要找到从起点出发到各顶点的最短路径权值,极端情况下,图中 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 个顶点都在一条最短路径上,且松弛边按照最坏情况下进行,即一次只增加一个已确认顶点,则需要执行的迭代次数为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次;另一种极端情况,松弛边按照最好情况下进行,则需要执行的迭代次数为 1 次。

Bellman-Ford 算法

Bellman-Ford 算法计算最短路径的过程中,使用了上述的松弛函数,通过对路径的不断松弛,来逐渐获取最短路径。

Bellman-Ford 算法可以检测带权有向图中是否存在负权回路,根据前面对松弛函数执行次数的分析可知,若图中不存在负权回路,那么即使在最坏情况下,也只需要执行 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代松弛,即可获得从起点到各顶点的最短路径。

若图中存在负权回路,当回路较小时,例如顶点自身或者两个顶点之间的负权回路,则在 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代过程中,可能多次通过了该负权回路;若回路较大,例如从起点出发,串联所有顶点最后回到起点,即通过 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 条边构成一个圆形,如下图所示。则 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代过程中,可能一次也不会通过该负权回路,但是当再执行一次迭代松弛,即可将 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 值更新为负值,所以可以多执行一次迭代,通过判断是否更新从起点到某个顶点的最短路径权值,来判断图中是否存在负权回路。

《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

算法过程

Bellman-Ford 算法的执行过程很简单,就是对边集合进行 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代松弛,执行结束后,若返回值为 TRUE,则表示已经计算出起点到图中各顶点的最短路径,若返回值为 FALSE,则表示图中存在负权回路。

算法示例
def bellman_ford(graph, start, end):
    distance, parent = [None for i in range(graph.number)], [None for i in range(graph.number)]
    times, distance[start - 1], edges = 1, 0, getEdgesFromAdjacencyList(graph)
    while times < graph.number:
        for i in range(len(edges)):
            releax(edges[i], distance, parent)
        times += 1
    for i in range(len(edges)):
        if releax(edges[i], distance, parent):
            return False
    return True

代码中 distanceparent 两个列表的作用在上面已经提过了,times 变量用于记录迭代的执行次数,edges 列表是存储边的集合,getEdgesFromAdjacencyList 函数用于从邻接矩阵中转换出边的集合。代码中第一个循环内包含一个嵌套循环,用于对边集执行 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代松弛,第二个循环用于执行第 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次迭代,判断是否发生更新最短路径权值的情况,若发生更新权值,则表示图中存在负权回路。

根据之前的结论可知,若图中仍存在未确认顶点,则执行一次迭代松弛后,必然存在新增加的已确认顶点。代码示例中设定松弛的迭代次数为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次,是为了确保最坏情况下,Bellman-Ford 算法结束后也能够获得起点到各个顶点的最短路径。但是在最优情况下,对边集进行一次松弛后,即得到了最终的结果。所以可以通过判断一次迭代后是否有新增加的已确认顶点,或者更准确的说,判断一次迭代过程中,是否通过某条边的松弛,减小了从起点到某个顶点的路径权值,以此来判断是否已经到达最终状态,从而减少嵌套循环的执行次数。

优化算法示例

def bellman_ford(graph, start, end):
    distance, parent = [None for i in range(graph.number)], [None for i in range(graph.number)]
    times, distance[start - 1], edges = 1, 0, getEdgesFromAdjacencyList(graph)
    flag = True
    while flag and times < graph.number:
        flag = False
        for i in range(len(edges)):
            if releax(edges[i], distance, parent) and not flag:
                flag = True
        times += 1
    for i in range(len(edges)):
        if releax(edges[i], distance, parent):
            return False
    return True

代码中增加 flag 变量标志是否已经找到从起点到各个顶点的最短路径,若已找到,则停止迭代松弛,最好情况下只需要一次迭代即可完成,时间复杂度为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

性能分析

Bellman-Ford 算法中共存在 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》 次对边集合的迭代松弛,边集合的大小为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》,所以Bellman-Ford 算法的时间复杂度为 《数据结构(十一):最短路径(Bellman-Ford算法)》

代码及测试 github 链接:最短路径(Bellman-Ford算法)

    原文作者:zhipingChen
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/b876fe9b2338
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