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 d_i,j oznacza odległość z punktu i do punktu j, a wartość p_i,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 d_i,j przypisujemy długość tej krawędzi, a wartość p_i,j ustawiamy na i. W przeciwnym razie wartości d_i,j przypisujemy nieskończoność, a wartość p_i,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 d_{v1, v2} > d_{v1, u} + d_{u, v2}, to:
• d_{v1, v2} = d_{v1, u} + d_{u, v2},
• p_{v1, v2} = p_{u, 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 d_i,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).