Floyd algorithm原理及使用
Floyd algorithm适用于求解图中所有节点间的最短距离和最短路径。同时它可以处理负权值的情况。上一篇博文中讲述了关于Dijkstra algorithm的单源最短路径的方法,那么其实要求得图中所有节点间的最短路径规划,假设节点数为n,可以进行n次单源最短路径规划,就可以得到一个图中所有节点间最短路径规划。也就是说一个floyd算法可以通过进行n次(n为节点个数)dijkstra算法得到。其中Dijkstra algorithm的算法复杂度是O(n的平方),而n次Dijkstra algorithm的算法复杂度是O(n的立方),Floyd algorithm的算法复杂度是O(n的立方)。
1. Floyd algorithm原理
floyd算法的运行过程网上有很多,大家搜一下就可以了,我这里要给出它的算法步骤,即怎么去实现floyd。
事先需要准备好邻接矩阵(和上一篇一样,若不明白邻接矩阵可以去网上搜),设为mat。
step1:初始化dist矩阵,dist矩阵就是mat,path矩阵用于记录路径经过的节点,例如dist(1,2)非0非无穷大就记录下1,dist(i,j)为0或者无穷大,则在path(i,j)处记录-1。
step2:假设图G=(V,E),从V中选择一个节点,作为其余所有点点路径间的中间节点,比较经过这个中间节点后是否比原来的路径距离更短(假如是dist(i,j)>dist(i,k)+dist(k,j)则满足),如果是就更新原来的距离和路径,记录在dist中(更改dist),并且在path中记录下这个中间节点(更改path),这是一次更新。
step3:重复step2,直到选完V中所有节点,期间每次循环都会更新dist和path矩阵。
以上就可以实现floyd算法。
关于path矩阵的解读:
path矩阵的每一行都可以看作是一次dijkstra算法,所以假如有如下情况:
path(3,1)=3,path(3,3)=2,paht(3,2)=-1我们把它的行坐标遮挡掉,发现和上一篇博文中的dijkstra算法的path解读是一样的。从3号顶点到1号顶点要经过顶点3,而经过顶点3要经过顶点2,经过顶点2要经过顶点-1(-1就是源点),所以我们发现其实这里的情况是源点是3号顶点。通过这样的方法来解读path矩阵的每一行,就可以解读完path矩阵。
2. Floyd algorithm的案例
假如有如下的图:
对它进行Floyd algorithm:
和上一篇博文一样,用的是自己的接口,第一个就是不用名字的:
新建一个m-file,取名floyd_algo.m,内容如下:
---------------------------------------------------------------------------------------------
% 任务目标:实现floyd算法,得到所有顶点之间最短路径和距离输入:mat邻接矩阵;
% 输出:dist最短距离矩阵,path最短路径矩阵
function [dist,path] = floyd_algo(mat)
max_value = 65536; % 可以作为无穷大值
% 初始化dist矩阵和path矩阵
[lin,col] = size(mat);
dist = zeros(lin,col);
path = zeros(lin,col);
for i = 1:lin,
for j = 1:col,
w = mat(i,j);
if isnan(w), % 如果点点权值为无穷大
dist(i,j) = max_value;
path(i,j) = -1;
else % 如果点点权值非无穷大
if w == 0, % 如果点点权值为0
dist(i,j) = w;
path(i,j) = -1;
else % 如果点点权值非0
dist(i,j) = w;
path(i,j) = i;
end
end
end
end
% floyd 主体
for k = 1:col,
for i = 1:col,
if i ~= k,
for j = 1:col,
if j ~= k && i ~= j && dist(i,k)+dist(k,j)<dist(i,j),
dist(i,j) = dist(i,k)+dist(k,j);
path(i,j) = k;
end
end
end
end
end
% 解析dist和path 输出结果
fprintf('最短路径规划如下:\n');
for i = 1:lin,
for j = 1:col,
if i ~= j,
each_path = [];
k = j;
while k~=-1,
each_path = [each_path k];
k = path(i,k);
end
fprintf('第%d号顶点到第j号顶点的最短路径为:');
num = size(each_path,2);
for index = 1:num,
fprintf('顶点号%d ',each_path(num+1-index));
end
fprintf('距离是%d\n',dist(i,j));
end
end
end
end
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
它的测试代码,floyd_algo_test.m,内容如下:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
% 邻接矩阵
mat = [0 16 57 65;nan 0 11 43;39 nan 0 9; 22 nan nan 0];
% 调用floyd_algo
[dist,path] = floyd_algo(mat);
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
结果如下:
第二个接口就是写成带顶点名字的:
新建m-file,取名floyd_algo_name.m,内容如下:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
% 任务目标:实现floyd算法,得到所有顶点之间最短路径和距离输入:mat邻接矩阵,
% name顶点名称;输出:dist最短距离矩阵,path最短路径矩阵
function [dist,path] = floyd_algo_name(mat,name)
max_value = 65536; % 可以作为无穷大值
% 初始化dist矩阵和path矩阵
[lin,col] = size(mat);
dist = zeros(lin,col);
path = zeros(lin,col);
for i = 1:lin,
for j = 1:col,
w = mat(i,j);
if isnan(w), % 如果点点权值为无穷大
dist(i,j) = max_value;
path(i,j) = -1;
else % 如果点点权值非无穷大
if w == 0, % 如果点点权值为0
dist(i,j) = w;
path(i,j) = -1;
else % 如果点点权值非0
dist(i,j) = w;
path(i,j) = i;
end
end
end
end
% floyd 主体
for k = 1:col,
for i = 1:col,
if i ~= k,
for j = 1:col,
if j ~= k && i ~= j && dist(i,k)+dist(k,j)<dist(i,j),
dist(i,j) = dist(i,k)+dist(k,j);
path(i,j) = k;
end
end
end
end
end
% 解析dist和path 输出结果
fprintf('最短路径规划如下:\n');
for i = 1:lin,
for j = 1:col,
if i ~= j,
each_path = [];
k = j;
while k~=-1,
each_path = [each_path k];
k = path(i,k);
end
fprintf('顶点%s到顶点%s的最短路径为:',name(i),name(j));
num = size(each_path,2);
for index = 1:num,
fprintf('顶点%s ',name(each_path(num+1-index)));
end
fprintf('距离是%d\n',dist(i,j));
end
end
end
end
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
测试代码,floyd_algo_name_test.m,内容如下:
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
% 邻接矩阵
mat = [0 16 57 65;nan 0 11 43;39 nan 0 9; 22 nan nan 0];
% 顶点名称
name = ['A','B','C','D'];
% 调用floyd_algo_name
[dist,path] = floyd_algo_name(mat,name);
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
结果如下:
通过测试。我觉得看Floyd algorithm一定要看一看Dijkstra algorithm。
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