基础课图论复习-最短路

朴素Dijkstra算法 (适合稠密图 用邻接矩阵存图)

时间复杂度 O(\(n^2 + m\)) n表示点数， m表示边数

AcWing 849. Dijkstra求最短路I

int g[N][N];  // 存储每条边
int dist[N];  // 存储1号点到每个点的最短距离
bool st[N];   // 存储每个点的最短路是否已经确定

// 求1号点到n号点的最短路，如果不存在则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    for (int i = 0; i < n - 1; i ++ )
    {
        int t = -1;     // 在还未确定最短路的点中，寻找距离最小的点
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (!st[j] && (t == -1 || dist[t] > dist[j]))
                t = j;

        // 用t更新其他点的距离
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            dist[j] = min(dist[j], dist[t] + g[t][j]);

        st[t] = true;
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

堆优化Dijkstra算法 (适合稀疏图 用邻接表存图)

时间复杂度 O(\(n m\)) n表示点数， m表示边数

AcWing 850. Dijkstra求最短路II

typedef pair<int, int> PII;

int n;      // 点的数量
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N];        // 存储所有点到1号点的距离
bool st[N];     // 存储每个点的最短距离是否已确定

// 求1号点到n号点的最短距离，如果不存在，则返回-1
int dijkstra()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;
    priority_queue<PII, vector<PII>, greater<PII>> heap;
    heap.push({0, 1});      // first存储距离，second存储节点编号

    while (heap.size())
    {
        auto t = heap.top();
        heap.pop();

        int ver = t.second;

        if (st[ver]) continue;
        st[ver] = true;

        for (int i = h[ver]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[ver] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[ver] + w[i];
                heap.push({dist[j], j});
            }
        }
    }

    if (dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
    return dist[n];
}

bellman_ford算法 (适合求有边数限制的最短路)

时间复杂度 O(\(nm\)) n表示点数， m表示边数

AcWing 853. 有边数限制的最短路

int n, m;       // n表示点数，m表示边数
int dist[N];        // dist[x]存储1到x的最短路距离

struct Edge     // 边，a表示出点，b表示入点，w表示边的权重
{
    int a, b, w;
}edges[M];

// 求1到n的最短路距离，如果无法从1走到n，则返回-1。
int bellman_ford()
{
    memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
    dist[1] = 0;

    // 如果第n次迭代仍然会松弛三角不等式，就说明存在一条长度是n+1的最短路径，由抽屉原理，路径中至少存在两个相同的点，说明图中存在负权回路。
    for (int i = 0; i < n; i ++ )
    {
        for (int j = 0; j < m; j ++ )
        {
            int a = edges[j].a, b = edges[j].b, w = edges[j].w;
            if (dist[b] > dist[a] + w)
                dist[b] = dist[a] + w;
        }
    }

    if (dist[n] > 0x3f3f3f3f / 2) return -1;
    return dist[n];
}

spfa算法 (队列优化的Bellman-Ford算法)

时间复杂度 平均 O(\(m\)) 最坏 O(\(nm\)) n表示点数， m表示边数

AcWing 851. spfa求最短路

int n, m;
int h[N], e[N], w[N], ne[N], idx;  // 邻接表存储所有边
int dist[N];   // 存储每个点到1号点的最短距离
bool st[N];    // 存储每个点是否在队列中

int spfa()  // 求1号点到n号点的最短路距离，如果从1号点无法走到n号点则返回-1
{
   queue<int> q;
   q.push(1);
   st[1] = true;
   
   memset(dist, 0x3f, sizeof dist);
   dist[1] = 0; 
   
   while(q.size())
   {
       auto t = q.front();
       q.pop();
       st[t] = false;
       
       for(int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
       {
           int j = e[i];
           if(dist[j] > dist[t] + w[i])  // 如果队列中已存在j，则不需要将j重复插入
           {
               dist[j] = dist[t] + w[i];
               if(!st[j])
               {
                   q.push(j);
                   st[j] = true;
               }
           }
       }
   }
   
   if(dist[n] == 0x3f3f3f3f) return -1;
   return dist[n];
}

spfa判断图中是否存在负环

时间复杂度 O(\(nm\)) n表示点数， m表示边数

AcWing 852. spfa判断负环

int n;      // 总点数
int h[N], w[N], e[N], ne[N], idx;       // 邻接表存储所有边
int dist[N], cnt[N];        // dist[x]存储1号点到x的最短距离，cnt[x]存储1到x的最短路中经过的点数
bool st[N];     // 存储每个点是否在队列中

// 如果存在负环，则返回true，否则返回false。
bool spfa()
{
    // 不需要初始化dist数组
    // 原理：如果某条最短路径上有n个点（除了自己），那么加上自己之后一共有n+1个点，由抽屉原理一定有两个点相同，所以存在环。

    queue<int> q;
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
    {
        q.push(i);
        st[i] = true;
    }

    while (q.size())
    {
        auto t = q.front();
        q.pop();

        st[t] = false;

        for (int i = h[t]; i != -1; i = ne[i])
        {
            int j = e[i];
            if (dist[j] > dist[t] + w[i])
            {
                dist[j] = dist[t] + w[i];
                cnt[j] = cnt[t] + 1;
                if (cnt[j] >= n) return true;       // 如果从1号点到x的最短路中包含至少n个点（不包括自己），则说明存在环
                if (!st[j])
                {
                    q.push(j);
                    st[j] = true;
                }
            }
        }
    }

    return false;
}

floyd算法

时间复杂度 O(\(n^3\)) n表示点数

AcWing 854. Floyd求最短路

初始化：
    for (int i = 1; i <= n; i ++ )
        for (int j = 1; j <= n; j ++ )
            if (i == j) d[i][j] = 0;
            else d[i][j] = INF;

// 算法结束后，d[a][b]表示a到b的最短距离
void floyd()
{
    for (int k = 1; k <= n; k ++ )
        for (int i = 1; i <= n; i ++ )
            for (int j = 1; j <= n; j ++ )
                d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
}

未完待续 2021.8.9