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Python实现迪杰斯特拉算法过程解析

2020年09月19日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论
一、 迪杰斯特拉算法思想dijkstra算法主要针对的是有向图的单元最短路径问题,且不能出现权值为负的情况!dijkstra算法类似于贪心算法,其应用根本在于最短路径的最优子结构性质。最短路径的最优子

一、 迪杰斯特拉算法思想

dijkstra算法主要针对的是有向图的单元最短路径问题,且不能出现权值为负的情况!dijkstra算法类似于贪心算法,其应用根本在于最短路径的最优子结构性质。

最短路径的最优子结构性质:

如果p(i,j)={vi…vk…vs…vj}是从顶点i到j的最短路径,k和s是这条路径上的一个中间顶点,那么p(k,s)必定是从k到s的最短路径。

证明:

假设p(i,j)={vi…vk…vs…vj}是从顶点i到j的最短路径,则有p(i,j)=p(i,k)+p(k,s)+p(s,j)。而p(k,s)不是从k到s的最短距离,那么必定存在另一条从k到s的最短路径p(k,s),那么p(i,j)=p(i,k)+p(k,s)+p(s,j)<p(i,j)。则与p(i,j)是从i到j的最短路径相矛盾。因此该性质得证。

因此,dijkstra算法描述如下:

dijikstra算法描述如下:

假设存在g=<v,e>,源顶点为v0,s={v0},distance[i]记录v0到i的最短距离,matrix[i][j]记录从i到j的边的权值,即两点之间的距离。

1)从v-s中选择使dist[i]值最小的顶点i,将i加入到u中;

2)更新与i直接相邻顶点的dist值。dist[j]=min{dist[j],dist[i]+matrix[i][j]}

3)直到s=v,所有顶点都包含进来了,算法停止。

二、 具体操作步骤

根据其算法思想,确立操作步骤如下:

(1) 初始时,s只包含起点s;u包含除s外的其他顶点,且u中顶点的距离为"起点s到该顶点的距离"[例如,u中顶点v的距离为(s,v)的长度,然后s和v不相邻,则v的距离为∞]。

(2) 从u中选出"距离最短的顶点k",并将顶点k加入到s中;同时,从u中移除顶点k。

(3) 更新u中各个顶点到起点s的距离。之所以更新u中顶点的距离,是由于上一步中确定了k是求出最短路径的顶点,从而可以利用k来更新其它顶点的距离;例如,(s,v)的距离可能大于(s,k)+(k,v)的距离。

(4) 重复步骤(2)和(3),直到遍历完所有顶点。

三、代码

def dijkstra(s, used, cost, distance, n):
  distance[s] = 0
  while true:
    # v在这里相当于是一个哨兵,对包含起点s做统一处理!
    v = -1
    # 从未使用过的顶点中选择一个距离最小的顶点
    for u in range(n):
      if not used[u] and (v == -1 or distance[u] < distance[v]):
        v = u
    if v == -1:
      # 说明所有顶点都维护到s中了!
      break

    # 将选定的顶点加入到s中, 同时进行距离更新
    used[v] = true
    # 更新u中各个顶点到起点s的距离。之所以更新u中顶点的距离,是由于上一步中确定了k是求出最短路径的顶点,从而可以利用k来更新其它顶点的距离;例如,(s,v)的距离可能大于(s,k)+(k,v)的距离。
    for u in range(n):
      distance[u] = min(distance[u], distance[v] + cost[v][u])

  return distance


n, m, t = map(int, input().split())

# 标记数组:used[v]值为false说明改顶点还没有访问过,在s中,否则在u中!
used = [false for _ in range(n)]
# 距离数组:distance[i]表示从源点s到i的最短距离,distance[s]=0
distance = [float('inf') for _ in range(n)]
# cost[u][v]表示边e=(u,v)的权值,不存在时设为inf
cost = [[float('inf') for _ in range(n)] for _ in range(n)]

for _ in range(m):
  e = list(map(int, input().split()))
  cost[e[0] - 1][e[1] - 1] = e[2]

dis1 = dijkstra(0, used[:], cost, distance[:], n)
d1 = dis1[-1]
dis2 = dijkstra(n-1, used[:], cost, distance[:], n)
d2 = dis2[0]

print((d1+d2)*t)

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