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本帖最后由 释永思 于 2015-9-23 16:16 编辑
- v' P9 H6 e; v8 I) R# R8 U. a) N0 G9 X; C3 B% V h
最短路径算法的弗洛伊德算法的数学归纳法冥想证明 Version 1.0/ `8 Q$ M6 m. }2 Y/ }* p( y* H
/ @2 @: Y- u; u9 L- z. M
作者:李均宇(李恒星) 2015.09.07
8 T& W: @% ]1 ^# c7 ^$ Q0 a+ R* z" C
我二十年前已了解迪杰斯特拉算法,最近忽有兴趣开发了一款最短路径算法小软件EXE,了却二十年前的心愿。余庆未了,网上了解了还有多种方法,如A-Star,johnson,bellman,SPFA等算法,其中最感兴趣的是弗洛伊德算法。百度了,看了很多源码,大同小异。但对弗洛伊德算法原理,网上讲的,我看后也觉似懂非懂。利用抗战70周年纪念日放假期间,我闭关冥想,想到了N步的方法,但冥想出来的源码,总比网上讲的多一层循环。于是继续冥想,想到了要用数学归纳法来证明弗洛伊德算法。百度下,好似网上暂没这方面资料,于是共享出来,与诸君分享,不知对错也,网上讲到的什么迭代法,总是不太对似的,弗法可能并没有这么简单的:1 O9 f. C' ~7 N: u
假设顶点数为N,
; u" j! K' C$ b' A$ }) B+ \ N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。, o; j1 p7 J( f( V- [6 ]! b; l
假设N<=n时,弗法是正确的,如何证明N=n+1时,弗法仍是正确的?- \/ ^3 F! t* t$ h0 P; p7 b
先研究下N=n弗法正确时的特性。
( G; S9 x0 ?( ]4 JN=n时,所有的n个顶点两两组合的边D[i,j],不论虚边实边(直接的称实边,要通过其他顶点的叫虚边,我如此定义先),全部有值,且为最小值最短路径。N<n时,也就是最外层循环,每到一个值K时,此值K的弗法全是正确。
0 K8 E) Q' L+ a5 s7 m3 C当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。7 q1 n1 d% ?* [" G& E
令最后一点K总在循环中排在最后一位,三重循环中都是排在最后一位。
7 O* U9 Q! i3 F6 H令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。! B) y+ w% R2 D9 y8 i: D& a2 V
定理一: b9 d* k' B. ]) l0 b6 P5 I
最后一点k若改变i与j之距D[i,j],则所有经过i与j之最短路必同步更新且不分先后。
8 d/ B7 z# N! [: Q证明:5 ~$ w! K; y2 ^/ W3 s+ X
假设点x经过最短路径D[i,j],D[i,x]=D[i,j]+D[j,x]或D[i,x]=D[i,j]-D[j,x]。
; a- X6 S8 ?- @: i2 O6 ]D[i,j]已被替换成为了D[i,k]+D[j,k],而D[j,k]+D[j,x]>=D[k,x]或D[j,k]+D[j,x]>=D[k,x].
. U! v% _; T) W1 _ i4 s所以D[i,x]>=D[i,k]+D[k,x],所以x点必被更新,也就是执行松驰操作。
: l+ m [, \- d* a4 M# j; A% \9 j定理二:' q Q, `$ S& n) ]
最后一点k若改变i与j之距D[i,j],则经过i与j之最短路必不经过最后一点k。% T; K$ D* G. M3 d
证明:- l! G6 {% R" T3 \& Y
由定理一知,如果经过最后一点k,则D[i,k]本身要变,但正是用D[i,k]来执行松驰操作的,所以矛盾。4 U; N8 |/ C$ u
" e+ ]/ s' J5 Z" w5 Y+ w r定理四:
, c, p0 U$ D/ Q+ m 最后一点k与任一点之连线D[i,k]或D[j,k]必非无穷大,即必已连接(不论虚边实边)。) v* e: J( ]) z
证明:
( ]( [6 V; \( P& {% }' Y' \ k为最内层循环点最后一位。取i,j最小者位于中间层循环,最大者位于最外层循环。/ x" i2 M+ Z8 j9 m3 H6 }
此为max(i,j)<n之弗法,弗法已假设N<=n时全成立,现在求证N=n+1时情况。
* C5 w* \$ U$ m- P& p9 Z6 B4 a可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。+ { V. q/ O G: g+ a! \
D[i,k],D[j,k]两个不可能都是无穷大,这可以取min(i,j)来递归而知,min迭代到一条实边则可止,或本身数学归纳法内部要嵌套另一个数学归纳法来证明其中小引理。1 g8 R+ `3 |! ~- l: K
即知D[i,k],D[j,k]必有一个是连通的,D[i,j]也是连通的,从而三点必全连通,必非无穷大。
2 H2 Z5 i$ S) {8 X+ n定理五:" Y. S2 r+ I }4 O: q' }7 p; k3 Y
与k相连已经全是最短路。- `1 G/ {4 @% H/ g
证明:
; p2 J8 q8 B" u8 {* E; {/ f( m 因为与最后一点k相连的,全部没有变动,全部已非无穷大,所以经过k点的必是最短路。7 O3 ?6 @1 m$ @5 \
) W% f8 t+ c5 ~: m4 B# n所以新增一点k,由定理五知,当最外层循环到最后一位k时,所有经过k点的已是最短路。
" U% {4 ~2 @: \1 Z4 [8 Q所有对原来N=n时的弗法最短路的调整松弛操作,全能同步更新经过相关点的最短路,也就是原来的n个点的弗法,后来仍是最短路。! j/ _7 P' _. a8 L$ Z6 [1 `5 ~; f* |
则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。1 x+ S3 P w1 Z$ O2 {
由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。
- ~/ @( m; o& j1 D, A///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////, H6 ^0 f% _0 B/ K
关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
$ l9 p: U( [# i e$ p/ u
; F! O N8 q+ I3 M% |* ? D经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。( l% T4 V" H$ {" `2 [* m
仍用数学归纳法,假设N <= n时,弗法是正确的,要证明,N = n+1时,弗法仍是成立的。% Y8 u- ?8 B+ D; J/ g* c" ?# q3 b
设k = n+1是最后一点。7 Q. H$ M t+ k; |% m y$ D
如果任意两点间的最短路径结过的顶点数是小于k的,那么根据假设知弗法正确是最短路的。: ~3 Q- i1 {8 j, H$ r% p
如果任意两点间的最短路径结过的顶点数是等于k的。那么知摘去最后3个顶点即只剩下(k-3)个点时,是N <= n的情形。. A1 G2 w9 T3 v
起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
+ t) i% G" c) ^当最外层第三重循环循环到最后三点k,c,d时,ac,bd已经连通了是N <= n的弗法情形。' u; w/ ]6 s3 `! |) j' s
k,c,d三点,无论哪个是先是后的组合,都必定能够令ab连通且最短路。3 n" _/ P4 h. t4 u" V$ @
例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
( S; J) C+ c: d4 @又如c点连通ak(ck不用c点连通,因为原始边长早已有数值早已连通),k点连通ad,d点连通ab。
/ c$ |0 N- b- C: t. f& T8 o所以命题得证。
+ D' a3 i+ P3 v9 l2 J" k; {& o8 k' c# a8 }0 X
- J" s7 k9 z7 d5 M
9 n; j0 }1 i) V- p) A$ J L3 v% ^, t2 f9 U
& g; @7 b1 `8 |- t2 \8 ~
: N4 h4 |3 b% l' J/ F4 s) h% ~2 x
/ W% g! D0 t$ ] N1 a
! n, r6 z }' l+ r( `$ ~4 T. b
; l1 {( X% J( V' Q- q
3 t. }6 A( \9 r1 |' F; u' _6 u% |5 v+ U
8 ], l6 y! X% ]# s
# `0 y0 ~1 J! U2 ?4 L
, y0 X; b, g z3 w
5 P6 [& V3 z" ?) J2 ]3 G' S8 l- _" W: Y: X) f& x, Y
& c/ w6 R% T5 h
+ |& F! K Y4 [! N) q0 H0 ^. d3 C5 B- ?; v5 X4 ]: X S
4 ~9 o3 N5 d1 U; o) E4 \
" E6 Q' x& m# O" y5 v: S: n3 b& z3 A$ d8 [1 s2 s- l
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zan
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