迪杰斯特拉算法(Dijkstra)证明 - Go语言中文社区

迪杰斯特拉算法(Dijkstra)证明


首先,这篇文章是在讲《图论》时候写文章

(所以,还是以理论为主,以后有空的时候,会把代码发上来,不过我觉得大家看完理论,如果讲得好,代码也就比较容易了。如果讲得不好,网上的代码也是大把,不看这篇文章也罢了)


任务目标:

给个起点S,找到图中每个点距离起点S的最小距离(考虑联通性的问题)。


算法思路概述

先选第一个距离S最近的点。之后,更新其他图中的点到S的距离。更新原因:新增加的最近点可以作为一个桥。

  • 输入是:点之间的距离矩阵。
  • 维护是:上面矩阵中的某一行

下图为老师的课件内容部分,我觉得虽然详尽,但也有些枯燥。可能是为了凝练语言吧。如果有耐心看的话,倒真的是一篇非常好的文章。
我在后面会用自己的语言阐述,可能会比较清晰(但废话可能也比较多)。

其中前面的黄色部分是我自己标注的(老师写的),后面的黄色部分是我自己写的。


这里写图片描述


阐述

  1. 首先,选定一个点 v 0 v0 v0,先假设所有的点到某个点的路径都是无穷(当然自己到自己肯定得是长度是0…)。
  2. 然后确定一个集合 S S S,这集合表示已经被访问的过点。(那么没有被访问过的点,也是很容易解决的…),这里用个bool数组什么的标记一下吧。
  3. 之后,先更新所有点到这个 v 0 v0 v0的距离。怎么更新呢?
  4. 所有点通过已经被访问过的点到达 v 0 v0 v0的距离,在结合 d ( v 0 , v i ) = m i n v j ∈ ( S ) ( d ( v 0 , v j ) + w ( v j , v i ) ) d(v0, vi) = min_{vj in (S)}(d(v0, vj) + w(vj, vi)) d(v0,vi)=minvj(S)(d(v0,vj)+w(vj,vi)) ( 一般就是新增加的那个点考虑下就好了 )。就是在中间搭一个桥,如果,通过这个桥的点会让这个路变得更近,就更新这个路径的长度。
  5. 然后选个最近的点,然后把这个最近的点标记访问过。纳入到集合 S S S
  6. 然后,一直到把所有的点都纳入进去之后,就没什么事情了~

这里面,有很多的问题,乍一看都是有点合情合理,但是却让人一下子想不明白的。
归结到一条,就是,为什么这样子,就能保证一定会是得到了所有的点,到这个点 v 0 v0 v0的最短距离呢?


证明(不严格的证明)

  1. 首先,我们能保证,拿到的第一个点,一定是跟 v 0 v0 v0最近的点。 因为,首先我们选择的是与 v 0 v0 v0直接相连的点中到 v 0 v0 v0最近的点。如果之后的选的方法得到点,有能够得到的点到 v 0 v0 v0的距离小于一开始选的这个点的话,这是不科学的。因为,我们每次选点,都是根据我们维护的一个数组。这个数组的变化过程是,以这个数组中很早就被选中的点的为中转的点,然后,再加上这个中转的点到这个的点的距离,来替代的。但是,我们知道,任意两点的距离都是大于0的,那么,更新的基本算法是“加法”那么更新之后, 怎么可能得到的数是比之前的数要小呢?
  2. 同样的道理,第二次被选的点,一定是比以后要选的点都要更近 v 0 v0 v0一点。(最多是相等)。有没有一种感觉,就跟堆排序的方法是一样的。每次,都是把距离 v 0 v0 v0最近的点给“生产”出来了。然后不断迭代出所有与v0的点更近的点。

证明(较为严格的证明)

通过归纳法

(1) i = 0 i = 0 i=0
首先,还是一样,根据上面的方式,来依次产生出这些点。这是一个序列,称其为 V = v 0 , v 1 , v 2 , . . . . , v n V= {v0, v1, v2, ....,vn} V=v0,v1,v2,....,vn这n个点。 v i vi vi对应的距离就是 d i di di

(2) 设 i < = k i <= k i<=k时成立,下面看 i = k + 1 i = k + 1 i=k+1的情况

v i vi vi通过上述方法生成的点,所得到的到 v 0 v0 v0的距离不是最近的,也就是说,还存在一条路,使得 v i vi vi v 0 v0 v0的距离小于 d i di di
由于, d i di di的产生方法,我们可以知道,这样的点,必定通过了后面的点( v i > = k + 2 v_{i >= k + 2} vi>=k+2)。但是,我们同样知道 v i > = k + 2 v_{i >= k + 2} vi>=k+2 v 0 v0 v0的距离一定是会大于 v i < = k v_{i <= k } vi<=k的。(递增的特点)。所以,只要是通过了后面的点,到达 v 0 v0 v0的距离,一定是大于等于,我们只通过前面的点 v i < = k v_{i <= k } vi<=k到达所致的。但是,这与我们之前的假设有矛盾。这样我们就知道了, i = k + 1 i = k + 1 i=k+1时候也是成立的!

综上所述…

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