Algorytm Johnsona – algorytm służący do wyznaczania najkrótszych ścieżek pomiędzy każdą parą wierzchołków w grafie. Algorytm wykorzystuje algorytm Dijkstry i algorytm Bellmana-Forda. Dopuszcza krawędzie o ujemnych wagach, o ile nie tworzą ujemnych cykli.

Złożoność czasowa algorytmu (jeśli algorytm Dijkstry zostanie zaimplementowany z wykorzystaniem kopca Fibonacciego) to O(n²log n + en), gdzie n jest liczbą wierzchołków, a e jest liczbą krawędzi. Dla grafów rzadkich (ze stosunkowo małą liczbą krawędzi) jest to złożoność lepsza, niż złożoność algorytmu Floyda-Warshalla.

Opis działania algorytmu

Na początku wykonujemy algorytm Bellmana-Forda w wersji z dodatkowym wierzchołkiem. W ten sposób weryfikujemy, czy graf nie zawiera ujemnych cykli. Oznaczmy odległości znalezione przez ten algorytm jako h_i (i jest wybranym wierzchołkiem grafu).

Następnie trzeba zmodyfikować wagi krawędzi tak, aby pozbyć się wartości ujemnych, a jednocześnie nie zmienić optymalnych tras pomiędzy wierzchołkami. W tym celu możemy skorzystać ze wzoru k'_i,j = k_i,j + h_i − h_j, gdzie k_i,j jest wagą krawędzi prowadzącej z wierzchołka i do wierzchołka j, a wartości h_i i h_j są rezultatami wykonania algorytmu Bellmana-Forda.

Teraz nie mamy już krawędzi o ujemnych wagach, możemy zatem wykonać algorytm Dijkstry. Algorytm ten wykonujemy n razy, za każdym razem biorąc inny wierzchołek jako źródłowy. W ten sposób znajdujemy najkrótsze ścieżki pomiędzy każdą parą wierzchołków.

Na końcu musimy odtworzyć oryginalne odległości. W tym celu korzystamy ze wzoru: d_i,j = d'_i,j − h_i + h_j, gdzie d'_i,j jest długością ścieżki z wierzchołka i do wierzchołka j wyznaczoną przez algorytm Dijkstry.

REKLAMA

Bibliografia

• A. Debudaj-Grabysz, S. Deorowicz, J. Widuch, Algorytmy i struktury danych. Wybór zaawansowanych metod, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2012, ISBN 9788373359383.