算法竞赛进阶指南0x61 最短路
对于一张有向图,我们一般有邻接矩阵和邻接表两种存储方式。对于无向图,可以把无向边看作两条方向相反的有向边,从而采用与有向图一样的存储方式。
$$ 邻接矩阵的空间复杂度为 O(n^2),因此我们一般不采用这种方式 $$
我们用数组模拟链表:长度为n的表头数组head记录了从每个节点出发的第一条边在 ver 和 edge 数组中的存储位置,长度为 m 的边集数组 ver 和 edge 记录了每条边的终点和边权。长度为 m 的数组 next 模拟了链表指针,表示从相同节点出发的下一条边在 ver 和 edge数组中的存储位置。
$$ 邻接表的空间复杂度为 O(n + m) $$
void add(int x, int y, int z) {
ver[++tot] = y, edge[tot] = z, Next[tot] = head[x], head[x] = tot;
}
//访问从 x 出发的所有边
for (int i = head[x]; i; i = Next[i]) {
int y = ver[i], z = edge[i];
//找到了一条有向边(x, y),权值为 z
}
单源最短路径
单源最短路径问题(Single Source Shortest Psth,SSSP问题) 是说,给定一张有向图 G = (V,E),V是点集,E是边集,|V| = n,|E| = m,节点以 [1,n] 之间的连续整数编号,(x,y,z) 描述一条从 x 出发,到达 y,长度为 z 的有向边。设 1 号点为起点,求长度为 n 的数组 dist,其中dist[i],表示从起点 1 到 节点 i 的最短路径的长度。
Dijkstra算法
$$ Dijkstra算法的流程如下: $$
$$ 1.初始化 dist[1] = 0,其余节点的 dist 值为正无穷大 $$
$$ 2.找出一个未被标记的、dist[x] 最小的节点 x,然后标记节点 x $$
$$ 3.扫描节点 x 的所有出边 (x,y,z),若 dist[y] > dist[x] + z,则使用 dist[x] + z 更新 dist[y] $$
$$ 4.重复上述 2 ~ 3 两个步骤,直到所有节点都被标记 $$
Dijkstra 算法基于贪心思想,它只适用于所有边的长度都是非负数的图。当边长都是非负数时,全局最小值不可能再被其他节点更新,故在第一步中选出的节点 x 必然满足:dist[x] 已经是起点到 x 的最短路径。我们不断选择全局最小值进行标记和扩展,最终可得到起点 1 到每个节点的最短路径的长度。
const int N = 1e3 + 10;
int a[N][N], d[N], n, m, s;
bool v[N];
void dijkstra(int s) {
std::memset(d, 0x3f, sizeof d);
d[s] = 0;
for (int i = 1; i < n; i++) {
//重复进行 n - 1次
int x = 0;
//找到未标记节点中 dist 最小的
for (int j = 1; j <= n; j++) {
if (!v[i] && (x == 0 || d[j] < d[x])) {
x = j;
}
}
v[x] = 1;
//用全局最小值点 x 更新其他节点
for (int y = 1; y <= n; y++) {
d[y] = std::min(d[y], d[x] + a[x][y]);
}
}
}
int main() {
std::cin >> n >> m >> s;
//构建邻接矩阵
std::memset(a, 0x3f, sizeof a);
for (int i = 1; i <= n; i++) {
a[i][i] = 0;
}
for (int i = 1; i <= m; i++) {
int u, v, w;
std::cin >> u >> v >> w;
a[u][v] = std::min(a[u][v], w);
}
//求单源最短路径
dijkstra(s);
for (int i = 1; i <= n; i++) {
std::cout << d[i] << " \n"[i == n];
}
return 0;
}
$$ 上面程序的时间复杂度为O(n^2)$$
$$ 主要瓶颈在于第一步的寻找全局最小值的过程 $$
$$ 可以用二叉堆(C++ STL priority_queue) 对 dist 数组进行维护 $$
$$ 用 O(logn) 的时间获取最小值并从堆中删除 $$
$$ 用O(logn) 的时间执行一条边的扩展和更新 $$
$$ 最终可在 O((m + n)logn) 的时间内实现 Dijkstra 算法 $$
const int N = 1e5 + 10, M = 1e6 + 10;
int head[N], ver[M], edge[M], next[M], d[N];
bool v[N];
int n, m, s, tot;
std::priority_queue<std::pair<int, int> > q;
void add(int u, int v, int w) {
ver[++tot] = v, edge[tot] = w, next[tot] = head[u], head[u] = tot;
}
void dijkstra(int s) {
std::memset(d, 0x3f, sizeof d);
d[s] = 0;
q.push(std::make_pair(0, s));
while (q.size()) {
//取出栈顶
int x = q.top().second;
q.pop();
if (v[x]) continue;
v[x] = true;
//扫描所有出边
for (int i = head[x]; i; i = next[i]) {
int y = ver[i], z = edge[i];
if (d[y] > d[x] + z) {
//更新,把新的二元组插入堆
d[y] = d[x] + z;
q.push(std::make_pair(-d[y], y));
}
}
}
}
int main() {
std::cin >> n >> m >> s;
//构建邻接表
for (int i = 1; i <= m; i++) {
int u, v, w;
add(u, v, w);
}
dijkstra(s);
for (int i = 1; i <= n; i++) {
std::cout << d[i] << " \n"[i == n];
}
return 0;
}
Bellman - Ford 算法和 SPFA 算法
$$ 给定一张有向图,若对于图中的某一条边 (x, y, z),有 dist[y] \le dist[x] + z 成立 $$
$$ 则称该边满足三角形不等式。 $$
$$ 若所有边都满足三角形不等式,则 dist 数组就是所求最短路 $$
$$ 下面介绍SPFA算法 $$
const int N = 1e5 + 10, M = 1e6 + 10;
int head[N], ver[M], edge[M], next[M], d[N];
int n, m, tot, s;
std::queue<int> q;
bool v[N];
void add(int u, int v, int w) {
ver[++tot] = v, edge[tot] = w, next[tot] = head[u], head[u] = tot;
}
void spfa(int s) {
std::memset(d, 0x3f, sizeof d);
d[s] = 0, v[s] = true;
q.push(s);
while (q.size()) {
//取出对头
int x = q.front();
q.pop();
v[x] = false;
//扫描所有出边
for (int i = head[x]; i; i = next[i]) {
int y = ver[i], z = edge[i];
if (d[y] > d[x] + z) {
//更新,把新的二元组插入堆
d[y] = d[x] + z;
if (!v[y]) {
q.push(y), v[y] = true;
}
}
}
}
}