dijkstra算法求最短路径

基本思想

dijkstra的算法思想是从以上最短距离数组中每次选择一个最近的点,将其作为下一个点,然后重新计算从起始点经过该点到其他所有点的距离,更新最短距离数据。已经选取过的点就是确定了最短路径的点,不再参与下一次计算。

  1. 通过Dijkstra计算图G中的最短路径时,需要指定起点s(即从顶点s开始计算)。
  2. 此外,引进两个集合S和U。S的作用是记录已求出最短路径的顶点(以及相应的最短路径长度),而U则是记录还未求出最短路径的顶点(以及该顶点到起点s的距离)。
  3. 初始时,S中只有起点s;U中是除s之外的顶点,并且U中顶点的路径是”起点s到该顶点的路径”。然后,从U中找出路径最短的顶点,并将其加入到S中;接着,更新U中的顶点和顶点对应的路径。 然后,再从U中找出路径最短的顶点,并将其加入到S中;接着,更新U中的顶点和顶点对应的路径。 … 重复该操作,直到遍历完所有顶点。

操作步骤

  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。

第1步:初始化距离,其实指与D直接连接的点的距离。dis[c]代表D到C点的最短距离,因而初始dis[C]=3,dis[E]=4,dis[D]=0,其余为无穷大。设置集合S用来表示已经找到的最短路径。此时,S={D}。现在得到D到各点距离{D(0),C(3),E(4),F(*),G(*),B(*),A(*)},其中*代表未知数也可以说是无穷大,括号里面的数值代表D点到该点的最短距离。

第2步:不考虑集合S中的值,因为dis[C]=3,是当中距离最短的,所以此时更新S,S={D,C}。接着我们看与C连接的点,分别有B,E,F,已经在集合S中的不看,dis[C-B]=10,因而dis[B]=dis[C]+10=13,dis[F]=dis[C]+dis[C-F]=9,dis[E]=dis[C]+dis[C-E]=3+5=8>4(初始化时的dis[E]=4)不更新。此时{D(0),C(3),E(4),F(9),G(*),B(13),A(*)}。

第3步:在第2步中,E点的值4最小,更新S={D,C,E},此时看与E点直接连接的点,分别有F,G。dis[F]=dis[E]+dis[E-F]=4+2=6(比原来的值小,得到更新),dis[G]=dis[E]+dis[E-G]=4+8=12(更新)。此时{D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(*)}

第4步:在第3步中,F点的值6最小,更新S={D,C,E,F},此时看与F点直接连接的点,分别有B,A,G。dis[B]=dis[F]+dis[F-B]=6+7=13,dis[A]=dis[F]+dis[F-A]=6+16=22,dis[G]=dis[F]+dis[F-G]=6+9=15>12(不更新)。此时{D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}.

第5步:在第4步中,G点的值12最小,更新S={D,C,E,F,G},此时看与G点直接连接的点,只有A。dis[A]=dis[G]+dis[G-A]=12+14=26>22(不更新)。{D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}.

第6步:在第5步中,B点的值13最小,更新S={D,C,E,F,G,B},此时看与B点直接连接的点,只有A。dis[A]=dis[B]+dis[B-A]=13+12=25>22(不更新)。{D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}.

第6步:最后只剩下A值,直接进入集合S={D,C,E,F,G,B,A},此时所有的点都已经遍历结束,得到最终结果{D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}.

python实现:

将以上的过程使用python来实现。
首先总结一个Dijkstra算法的核心思想,分成两步走:

  1. 构造一个最短路径数组,每次找到数组中未访问的节点里最小的点
  2. 以上一步的节点为最新节点,更新起始点到所有点的距离

使用python就是实现这两步即可



MAX= float('inf')

matrix = [
    [0,10,MAX,4,MAX,MAX],
    [10,0,8,2,6,MAX],
    [MAX,8,10,15,1,5],
    [4,2,15,0,6,MAX],
    [MAX,6,1,6,0,12],
    [MAX,MAX,5,MAX,12,0]
    ]


def dijkstra(matrix, start_node):
    
    #矩阵一维数组的长度,即节点的个数
    matrix_length = len(matrix)

    #访问过的节点数组
    used_node = [False] * matrix_length

    #最短路径距离数组
    distance = [MAX] * matrix_length

    #初始化,将起始节点的最短路径修改成0
    distance[start_node] = 0
    
    #将访问节点中未访问的个数作为循环值,其实也可以用个点长度代替。
    while used_node.count(False):
        min_value = float('inf')
        min_value_index = 999
        
        #在最短路径节点中找到最小值,已经访问过的不在参与循环。
        #得到最小值下标,每循环一次肯定有一个最小值
        for index in range(matrix_length):
            if not used_node[index] and distance[index] < min_value:
                min_value = distance[index]
                min_value_index = index
        
        #将访问节点数组对应的值修改成True,标志其已经访问过了
        used_node[min_value_index] = True

        #更新distance数组。
        #以B点为例:distance[x] 起始点达到B点的距离,
        #distance[min_value_index] + matrix[min_value_index][index] 是起始点经过某点达到B点的距离,比较两个值,取较小的那个。
        for index in range(matrix_length):
            distance[index] = min(distance[index], distance[min_value_index] + matrix[min_value_index][index])

    return distance




start_node = int(input('请输入起始节点:'))
result = dijkstra(matrix,start_node)
print('起始节点到其他点距离:%s' % result)

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