python實(shí)現(xiàn)最短路徑的實(shí)例方法
最短路徑問題(python實(shí)現(xiàn))
解決最短路徑問題:(如下三種算法)
(1)迪杰斯特拉算法(Dijkstra算法)
(2)弗洛伊德算法(Floyd算法)
(3)SPFA算法
第一種算法:
Dijkstra算法
廣度優(yōu)先搜索解決賦權(quán)有向圖或者無向圖的單源最短路徑問題.是一種貪心的策略
算法的思路
聲明一個數(shù)組dis來保存源點(diǎn)到各個頂點(diǎn)的最短距離和一個保存已經(jīng)找到了最短路徑的頂點(diǎn)的集合:T,初始時,原點(diǎn)s的路徑權(quán)重被賦為0(dis[s]=0)。若對于頂點(diǎn)s存在能直接到達(dá)的邊(s,m),則把dis[m]設(shè)為w(s, m),同時把所有其他(s不能直接到達(dá)的)頂點(diǎn)的路徑長度設(shè)為無窮大。初始時,集合T只有頂點(diǎn)s。
然后,從dis數(shù)組選擇最小值,則該值就是源點(diǎn)s到該值對應(yīng)的頂點(diǎn)的最短路徑,并且把該點(diǎn)加入到T中,OK,此時完成一個頂點(diǎn),再看看新加入的頂點(diǎn)是否可以到達(dá)其他頂點(diǎn)并且看看通過該頂點(diǎn)到達(dá)其他點(diǎn)的路徑長度是否比源點(diǎn)直接到達(dá)短,如果是,那么就替換這些頂點(diǎn)在dis中的值,然后,又從dis中找出最小值,重復(fù)上述動作,直到T中包含了圖的所有頂點(diǎn)。
第二種算法:
Floyd算法
原理:
Floyd算法(弗洛伊德算法)是一種在有向圖中求最短路徑的算法。它是一種求解有向圖中點(diǎn)與點(diǎn)之間最短路徑的算法。
用在擁有負(fù)權(quán)值的有向圖中求解最短路徑(不過不能包含負(fù)權(quán)回路)
流程:
有向圖中的每一個節(jié)點(diǎn)X,對于圖中過的2點(diǎn)A和B,
如果有Dis(AX)+ Dis(XB)< Dis(AB),那么使得Dis(AB)=Dis(AX)+Dis(XB)。
當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)X遍歷完后,AB的最短路徑就求出來了。
示例一:
#-*- coding:utf-8 -*-
#python實(shí)現(xiàn)Floyd算法
N = 4
_=float('inf') #無窮大
graph = [[ 0, 2, 6, 4],[ _, 0, 3, _],[ 7, _, 0, 1],[ 5, _,12, 0]]
path = [[-1,-1,-1,-1],[-1,-1,-1,-1],[-1,-1,-1,-1],[-1,-1,-1,-1]] #記錄路徑,最后一次經(jīng)過的點(diǎn)
def back_path(path,i,j): #遞歸回溯
while(-1 != path[i][j]):
back_path(path,i,path[i][j])
back_path(path,path[i][j],j)
print path[i][j],14
return;
return;
print "Graph:\n",graph
for k in range(N):
for i in range(N):
for j in range(N):
if graph[i][j] > graph[i][k] + graph[k][j]:
graph[i][j] = graph[i][k] + graph[k][j]
path[i][j] = k
print "Shortest distance:\n",graph
print "Path:\n",path
print "Points pass-by:"
for i in range(N):
for j in range(N):
print "%d -> %d:" % (i,j),
back_path(path,i,j)
print "\n",
示例二:
#!usr/bin/env python#encoding:utf-8
'''
功能:使用floyd算法求最短路徑距離
'''
import random
import time
def random_matrix_genetor(vex_num=10):
'''
隨機(jī)圖頂點(diǎn)矩陣生成器
輸入:頂點(diǎn)個數(shù),即矩陣維數(shù)
'''
data_matrix=[]
for i in range(vex_num):
one_list=[]
for j in range(vex_num):
one_list.append(random.randint(1, 100))
data_matrix.append(one_list)
return data_matrixdef floyd(data_matrix):
'''
輸入:原數(shù)據(jù)矩陣,即:一個二維數(shù)組
輸出:頂點(diǎn)間距離 '''
dist_matrix=[]
path_matrix=[]
vex_num=len(data_matrix)
for h in range(vex_num):
one_list=['N']*vex_num
path_matrix.append(one_list)
dist_matrix.append(one_list)
for i in range(vex_num):
for j in range(vex_num):
dist_matrix=data_matrix
path_matrix[i][j]=j
for k in range(vex_num):
for i in range(vex_num):
for j in range(vex_num):
if dist_matrix[i][k]=='N' or dist_matrix[k][j]=='N':
temp='N'
else:
temp=dist_matrix[i][k]+dist_matrix[k][j]
if dist_matrix[i][j]>temp:
dist_matrix[i][j]=temp
path_matrix[i][j]=path_matrix[i][k]
return dist_matrix, path_matrixdef main_test_func(vex_num=10):
'''
主測試函數(shù)
'''
data_matrix=random_matrix_genetor(vex_num)
dist_matrix, path_matrix=floyd(data_matrix)
for i in range(vex_num):
for j in range(vex_num):
print '頂點(diǎn)'+str(i)+'----->'+'頂點(diǎn)'+str(j)+'最小距離為:', dist_matrix[i][j]
if __name__ == '__main__':
data_matrix=[['N',1,'N',4],[1,'N',2,'N'],['N',2,'N',3],[4,'N',3,'N']]
dist_matrix, path_matrix=floyd(data_matrix)
print dist_matrix
print path_matrix
time_list=[]
print '------------------------------節(jié)點(diǎn)數(shù)為10測試情況------------------------------------'
start_time0=time.time()
main_test_func(10)
end_time0=time.time()
t1=end_time0-start_time0
time_list.append(t1)
print '節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時耗時為:', t1
print '------------------------------節(jié)點(diǎn)數(shù)為100測試情況------------------------------------'
start_time1=time.time()
main_test_func(100)
end_time1=time.time()
t2=end_time1-start_time1
time_list.append(t2)
print '節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時耗時為:', t2
print '------------------------------節(jié)點(diǎn)數(shù)為1000測試情況------------------------------------'
start_time1=time.time()
main_test_func(1000)
end_time1=time.time()
t3=end_time1-start_time1
time_list.append(t3)
print '節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時耗時為:', t3
print '--------------------------------------時間消耗情況為:--------------------------------'
for one_time in time_list:
print one_time
示例三:
import numpy as np
Max = 100
v_len = 4
edge = np.mat([[0,1,Max,4],[Max,0,9,2],[3,5,0,8],[Max,Max,6,0]])
A = edge[:]
path = np.zeros((v_len,v_len))
def Folyd():
for i in range(v_len):
for j in range(v_len):
if(edge[i,j] != Max and edge[i,j] != 0):
path[i][j] = i
print 'init:'
print A,'\n',path
for a in range(v_len):
for b in range(v_len):
for c in range(v_len):
if(A[b,a]+A[a,c]<A[b,c]):
A[b,c] = A[b,a]+A[a,c]
path[b][c] = path[a][c]
print 'result:'
print A,'\n',path
if __name__ == "__main__":
Folyd()
第三種算法:
SPFA算法是求解單源最短路徑問題的一種算法,由理查德·貝爾曼(Richard Bellman) 和 萊斯特·福特 創(chuàng)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(fā)展做出了貢獻(xiàn)。它的原理是對圖進(jìn)行V-1次松弛操作,得到所有可能的最短路徑。
其優(yōu)于迪科斯徹算法的方面是邊的權(quán)值可以為負(fù)數(shù)、實(shí)現(xiàn)簡單,缺點(diǎn)是時間復(fù)雜度過高,高達(dá) O(VE)。但算法可以進(jìn)行若干種優(yōu)化,提高了效率。
思路:
我們用數(shù)組dis記錄每個結(jié)點(diǎn)的最短路徑估計值,用鄰接表或鄰接矩陣來存儲圖G。我們采取的方法是動態(tài)逼近法:設(shè)立一個先進(jìn)先出的隊列用來保存待優(yōu)化的結(jié)點(diǎn),優(yōu)化時每次取出隊首結(jié)點(diǎn)u,并且用u點(diǎn)當(dāng)前的最短路徑估計值對離開u點(diǎn)所指向的結(jié)點(diǎn)v進(jìn)行松弛操作,如果v點(diǎn)的最短路徑估計值有所調(diào)整,且v點(diǎn)不在當(dāng)前的隊列中,就將v點(diǎn)放入隊尾。這樣不斷從隊列中取出結(jié)點(diǎn)來進(jìn)行松弛操作,直至隊列空為止。
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