貝爾曼-福特算法

貝爾曼-福特算法

貝爾曼-福特算法(Bellman-Ford)是由理察·貝爾曼(Richard Bellman) 和 萊斯特·福特 創立的,求解單源最短路徑問題的一種算法。有時候這種算法也被稱為 Moore-Bellman-Ford 算法,因為 Edward F. Moore 也為這個算法的發展做出了貢獻。它的原理是對圖進行V-1次鬆弛操作,得到所有可能的最短路徑。其優於迪科斯徹算法的方面是邊的權值可以為負數、實現簡單,缺點是時間複雜度過高,高達O(VE)。但算法可以進行若干種最佳化,提高了效率。

簡介

貝爾曼-福特算法 貝爾曼-福特算法
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貝爾曼-福特算法(英語:Bellman–Ford algorithm),求解單源最短路徑問題的一種算法,由理察·貝爾曼(Richard Bellman) 和萊斯特·福特創立的。有時候這種算法也被稱為 Moore-Bellman-Ford 算法,因為Edward F. Moore也為這個算法的發展做出了貢獻。它的原理是對圖進行 次鬆弛操作,得到所有可能的最短路徑。其優於迪科斯徹算法的方面是邊的權值可以為負數、實現簡單,缺點是時間複雜度過高,高達 。但算法可以進行若干種最佳化,提高了效率。

算法

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貝爾曼-福特算法與迪科斯徹算法類似,都以鬆弛操作為基礎,即估計的最短路徑值漸漸地被更加準確的值替代,直至得到最優解。在兩個算法中,計算時每個邊之間的估計距離值都比真實值大,並且被新找到路徑的最小長度替代。 然而,迪科斯徹算法以貪心法選取未被處理的具有最小權值的節點,然後對其的出邊進行鬆弛操作;而貝爾曼-福特算法簡單地對所有邊進行鬆弛操作,共 次,其中 是圖的點的數量。在重複地計算中,已計算得到正確的距離的邊的數量不斷增加,直到所有邊都計算得到了正確的路徑。這樣的策略使得貝爾曼-福特算法比迪科斯徹算法適用於更多種類的輸入。

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貝爾曼-福特算法的最多運行 (大O符號)次, 和 分別是節點和邊的數量)。

偽代碼表示

原理

鬆弛

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每次鬆弛操作實際上是對相鄰節點的訪問,第次鬆弛操作保證了所有深度為n的路徑最短。由於圖的最短路徑最長不會經過超過條邊,所以可知貝爾曼-福特算法所得為最短路徑。

負邊權操作

與迪科斯徹算法不同的是,迪科斯徹算法的基本操作“拓展”是在深度上尋路,而“鬆弛”操作則是在廣度上尋路,這就確定了貝爾曼-福特算法可以對負邊進行操作而不會影響結果。

負權環判定

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因為負權環可以無限制的降低總花費,所以如果發現第次操作仍可降低花銷,就一定存在負權環。  

最佳化

循環的提前跳出

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在實際操作中,貝爾曼-福特算法經常會在未達到次前就出解,其實是最大值。於是可以在循環中設定判定,在某次循環不再進行鬆弛時,直接退出循環,進行負權環判定。

佇列最佳化

主條目:最短路徑快速算法

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西南交通大學的段凡丁於1994年提出了用佇列來最佳化的算法。鬆弛操作必定只會發生在最短路徑前導節點鬆弛成功過的節點上,用一個佇列記錄鬆弛過的節點,可以避免了冗餘計算。原文中提出該算法的複雜度為,是個比較小的係數,但該結論未得到廣泛認可。  

Pascal語言示例

C++語言示例

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