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Level8

Dijkstra算法

迪杰斯特拉算法(Dijkstra)是由荷兰计算机科学家狄克斯特拉于1959年提出的,因此又叫狄克斯特拉算法。是从一个顶点到其余各顶点的最短路径算法,解决的是有权图中最短路径问题。迪杰斯特拉算法主要特点是从起始点开始,采用贪心算法的策略,每次遍历到起始点距离最近且未访问过的顶点的邻接节点,直到扩展到终点为止。
Dijkstra算法是典型的单源最短路径算法,主要特点是以起始点为中心向外层层扩展,直到扩展到终点为止。
问题描述:在无向图G=(V, E)中,假设每条边e[i]的长度为w[i],找到由顶点V0到其余各点的最短路径。(单源最短路径)
注意:Dijkstra算法适用于边权为正的无向和有向图不适用于有负边权的图

算法思想:
设G=(V,E)是一个带权有向图,把图中顶点集合V分成两组,第一组为已求出最短路径的顶点集合(用S表示,初始时S中只有一个源点,以后每求得一条最短路径,就将加入到集合S中,直到全部顶点都加入到S中,算法就结束了),第一组为其余未确定最短路径的顶点集合(用U表示),按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中,总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外,每个顶点对应一个距离,S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度,U中的顶点的距离,是从v到此顶点只包括S中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。
算法步骤:
a. 初始时,S只包含源点,即S= {v}, v的距离为0。U包含除v外的其他顶点,即:U={其余顶点},若V与U中顶点U有边,则正常有权值,若U不是V的出边邻接点,则 权值为 ∞。
b. 从U中选取一个距离V最小的顶点k,把k,加入S中(该选定的距离就是V到k的最短路径长度)。
c. 以k为新考虑的中间点,修改U中各顶点的距离;若从源点v到顶点u的距离(经过顶点k)比原来距离(不经过顶点k)短,则修改顶点u的距离值,修改后的距离值的顶点 k的距离加上边上的权。
d. 重复步骤b和c直到所有顶点都包含在S中。
重点需要理解这句拗口的“按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中,总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径度”。

最短路径举例,如下图,计算点1到5的最短距离:dis[]:记录从出发点走到每个点的最短路:vis[]:记录哪些点的最短路的值已经确定:如何确定一个点t,从出发点s到该点t的路径长度就是最短的? 在没有确定的点的集合中,找一个最小值!
注意:不能用INT_MAX来表示从s走不到该点,因为INT_MAX+任意的数会溢出。 而:0x3f3f3f3f,表示无穷大是很好的选择,因为这个数就算加上自己,也不会超过 int。
如在初始化数组a时,可以使用memset(a,0x3f,sizeof(a)),因为0x3f3f3f3f的每个字节都是0x3f。

迪杰斯特拉算法(Dijkstra)的时间复杂度O(n2)。

优先队列BFS-Dijkstra堆优化:在没有负权值图的最短路的问题中,我们每次取出当前代价最小的状态进行扩展,由于该状态已经是最优的了,队列中的其他状态的当前代价都不小于该值,因此以后就不可能再次更新该值。
为了维护当前的最小代价,我们将扩展出来的所有点存到优先队列(priority_queue) 中,这种求解最短路的方法,就是优先队列BFS,其实也就是改进版的dijkstra算法。
该算法的时间复杂度为:O(n*log(n)), 其中的log(n)是用于维护优先队列(二叉堆) 的时间复杂度。
在该算法中,当每个状态第一次从队列中被取出时,就得到了从起始状态到该状态的最小代价。