Algorytm Floyda-Warshalla
Algorytm Floyda-Warshalla – algorytm służący do wyznaczania najkrótszych ścieżek pomiędzy każdą parą wierzchołków w grafie. Jest to algorytm oparty na programowaniu dynamicznym. Algorytm ma złożoność czasową O(n3) i złożoność pamięciową O(n2), gdzie n jest liczbą wierzchołków.
Algorytm dopuszcza krawędzie o ujemnych wagach, o ile nie tworzą ujemnych cykli. Algorytm może być również wykorzystywany do wyszukiwania ujemnych cykli w grafie.
Działanie algorytmu
Tworzymy dwie macierze o wymiarach n na n. W pierwszej macierzy będziemy przechowywać odległości między punktami, w drugiej identyfikatory przedostatnich punktów na ścieżce łączącej punkty. Bardziej formalnie, wartość di,j oznacza odległość z punktu i do punktu j, a wartość pi,j oznacza punkt poprzedzający punkt j na ścieżce z punktu i do punktu j.
Na początku inicjujemy wartości w macierzach. Jeśli istnieje krawędź prowadząca z punktu i do punktu j, to wartości di,j przypisujemy długość tej krawędzi, a wartość pi,j ustawiamy na i. W przeciwnym razie wartości di,j przypisujemy nieskończoność, a wartość pi,j traktujemy jako niezdefiniowaną. Długości ścieżek prowadzących do tego samego punktu, z którego wychodzą, ustawiamy na 0.
Następnie wykonujemy zasadniczą część algorytmu:
- Dla każdego punktu u ze zbioru wierzchołków:
- Dla każdego punktu v1 ze zbioru wierzchołków:
- Dla każdego punktu v2 ze zbioru wierzchołków:
- Jeśli dv1, v2 > dv1, u + du, v2, to:
- dv1, v2 = dv1, u + du, v2,
- pv1, v2 = pu, v2.
Po wykonaniu algorytmu macierze zawierają optymalne rozwiązania. Ścieżkę między dwoma dowolnymi punktami można odczytać wykorzystując wartości znajdujące się w macierzy p. Jeśli po wykonaniu algorytmu wartość di,j nadal wynosi nieskończoność, to oznacza, że nie istnieje żadna ścieżka prowadząca z punktu i do punktu j.
Jeśli po wykonaniu algorytmu na głównej przekątnej macierzy odległości znajduje się wartość mniejsza od zera, to graf zawiera ujemny cykl.
Złożoność obliczeniowa
Algorytm zawiera trzy zagnieżdżone pętle, w każdej z nich przeglądane są wszystkie wierzchołki. Złożoność czasowa algorytmu wynosi zatem O(n3) (n jest liczbą wierzchołków). Dane są przechowywane w dwóch macierzach o wymiarach n na n. Złożoność pamięciowa algorytmu wynosi zatem O(n2).
Liczba głosów: 8.
- Algorytm Bellmana-Forda
- Algorytm Dijkstry
- Algorytm Floyda-Warshalla
- Algorytm Johnsona
Dodano: 9 sierpnia 2017 13:51, ostatnia edycja: 10 sierpnia 2017 15:02.
Zobacz też
Sortowanie przez scalanie – rekurencyjny algorytm sortowania wykorzystujący metodę dziel i zwyciężaj.
Notacja dużego O – notacja przedstawiająca asymptotyczne tempo wzrostu, wykorzystywana do zapisywania złożoności obliczeniowej algorytmu. Za pomocą tej notacji zapisywany jest rząd wielkości funkcji wyrażającej liczbę operacji dominujących (w przypadku złożoności czasowej) lub rozmiar wymaganej pamięci (w przypadku złożoności pamięciowej) w zależności od liczby danych wejściowych.
Wykorzystując notację dużego O nie podajemy dokładnego wzoru funkcji, a jedynie jej najbardziej znaczący składnik, w dodatku z pominięciem stałego współczynnika. Przykładowo, funkcję postaci f(n)=5n2+20n+100 możemy zapisać jako O(n2). Zakładamy bowiem, że dla dostatecznie dużych n wpływ pomijanych elementów jest znikomy. Choć oczywiście dla małych n może się zdarzyć, że funkcja o gorszej złożoności będzie się wykonywała szybciej.
Weźmy dla przykładu funkcje f(n) = 1000n+2000 i g(n) = n2. Choć pierwsza funkcja ma pozornie bardzo duże stałe współczynniki, to dla n ≥ 1002 będzie ona przyjmowała wartości mniejsze. Im większe n, tym ta różnica będzie wyraźniejsza. Dla n = 10000 (w przypadku danych przetwarzanych komputerowo nie jest to wielka wartość) f(n) = 10002000 (ok. 10 mln), a g(n) = 100000000 (100 mln), czyli blisko 10 razy więcej.
Możliwe jest również wykorzystanie notacji dużego O dla funkcji wielu zmiennych. Wówczas zapis może wyglądać tak: O(v2e). Znajduje to zastosowanie np. dla algorytmów operujących na grafach, gdzie złożoność zależy zarówno od liczby wierzchołków, jak i liczby krawędzi w grafie.
Matroid – struktura matematyczna składająca się z niepustego zbioru elementów E i takiej rodziny jego podzbiorów I, że spełnione są następujące warunki:
- Jeśli jakiś zbiór należy do I, to wszystkie jego podzbiory także należą do I.
- Jeśli weźmiemy dowolne dwa zbiory należące do I o różnej liczbie elementów, to jesteśmy w stanie dodać do mniejszego z nich taki element z większego (spośród tych, które nie należą do mniejszego), że utworzony w ten sposób zbiór także będzie należał do I.
Drugi warunek, zwany własnością wymiany, formalnie może być zapisany jako:
$$⋀↙{A,B∊I}↙{ |A|>|B| }⋁↙{t∊(A-B)} B∪\{t\} ∈ I$$Co istotne, rodzina zbiorów I nie musi zawierać wszystkich możliwych podzbiorów zbioru E. Ważne tylko, aby była spełniona własność wymiany. Przykładowo, dla E={a,b,c,d} prawidłową rodziną I, może być zarówno { {a,b}, {b,c}, {a}, {b}, {c}, ∅}, jak i { {a}, {b}, {c}, {d}, ∅}. Trywialnym przypadkiem poprawnego matroidu jest taki, w którym rodzina I zawiera jedynie zbiór pusty.