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[问题求助] 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

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释永思        

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    [LV.4]偶尔看看III

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    发表于 2015-9-7 11:12 |只看该作者 |倒序浏览
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    本帖最后由 释永思 于 2015-9-23 16:16 编辑
    , X4 \" f0 e9 [1 z
    ( I' C1 _! n$ |0 ^0 X* E; N6 d- N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
    + N3 {- v2 Z6 O. H( y$ x' [
    ( z0 ^* c0 b1 Q7 Z# ]                                作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07- h4 [! S4 r: ?  E  J" Y+ T( L( y# T
    ! C- |+ A% n1 K1 u
       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:& c/ r6 A  [( V( w
    假设顶点数为N,
    . F0 M" O3 x  a    N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    " l* e/ ^1 I1 e% d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?' X' s4 Q! {5 l" R7 j% A
        先研究下N=n弗法正确时的特性。
    , A: g8 [* C/ ?7 s) q; T$ BN=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。
    ) ]$ P5 s4 y: K+ Z当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    9 p1 z9 {# R9 d2 I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。
    3 q! p1 j) n- E6 L+ m6 K: t6 x令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。% D% `$ @8 J6 \& @  q( z/ m. P7 n
    定理一:
    8 [/ i* b- N0 v1 y   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。  [) Y, `& `3 M/ i
    证明:9 k4 R# p! I, x9 K9 S
      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]。
    & M4 c: ]9 @. c8 S5 OD[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].
    0 C1 a9 m, C+ m+ I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。 - Z( O/ E# v1 h5 Z9 J8 K2 K
    定理二:. d9 i- [2 d+ n  {% b+ ]- }6 A7 A6 I7 n  y
       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。
    + _# }$ G* |; ]. K7 v; i$ _证明:3 t" v. n3 ]8 a4 ?' c+ I
       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。. R% k/ Z9 ]6 B! m3 Z/ q$ [$ R  z( ^

    & D& _: |+ S9 Z/ Y3 d& {. |* T定理四:
    ( G% B; l9 j* p& z/ g& v! W$ z   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)。
    ( }  Y' ]; c4 T9 S证明:
    2 x3 w$ Q- C; k0 c  }5 ]   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。
    1 l! D+ H( L; j5 B6 {. R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。
    8 N! \% t' R& d, A9 U# U3 t可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
    0 T' N; n: R" ]. d% T; g1 r& u: }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。3 ]. F1 X, r! {' @; X
    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。
    7 T, e2 H5 a6 k/ {定理五:" {+ b2 E9 _1 H3 a
       与k相连已经全是最短路。0 H/ ~( \' {; u1 v3 S* ^0 R
    证明:0 ~4 x# M  W4 o0 x3 G
       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。
    2 @6 W5 X& G* J) r+ Q( U4 i  V! 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。
    ) b& D; ~* @! J& Z6 k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。1 P% m' W" c# R" H3 i* N* B
    则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。$ m/ K3 ^: F2 o; L% _0 d
    由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。0 x5 V8 V) }* y2 T# f
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    + M7 c+ P) [2 J7 U! T关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
      I, I* S4 {' w8 ], G9 L( Q- t' y  a" k
    经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    ; C7 A; @) `+ `5 L4 Y/ U2 H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。
    ' o7 w( T& p: o* O7 C- t设k = n+1是最后一点。
    , h1 [. g( [5 m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。
    4 ^# V) ~& f* ~8 f$ Z" {* Y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。5 S( x: Q* f1 _" h6 {
    起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    # k$ p7 V# a& ~+ A  m" |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。9 Q/ \9 @; y! q$ t4 D5 _
    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。
    7 F. T  }' L& k, }# u: e例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。+ m; d7 r9 L. J
    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。$ \- b1 `2 U) E3 u  S
    所以命题得证。* \; p6 t0 e" A$ T" K; t2 k

    + v7 `+ ~# Q$ w4 o
    5 i% W' n2 Q4 ?. ^0 C8 ^% U4 |/ J- k' ?9 x# d6 J" g- V" L, {4 }# R
    5 n; k$ D9 U3 g4 s! Q

    # s- B2 s6 j. R' _6 g- a5 k7 |) ]! o& K1 J  |) t+ s

    + ?0 c! V5 S* ~! U# g8 \7 C1 C+ e
    6 [% j$ f3 ]# \, d( a2 e9 C5 n7 V
    ! D/ p; W1 N& Z8 @+ K# F

    " z- U, {3 z3 V' X( e
    % W) i9 `# U( Z5 \. f( C. e
    " f3 A" j% v3 ~% X  e( x9 `  f+ Y# \8 w
    7 E5 V) \0 \% A, W9 c8 k
    , ~; k+ i  y. `1 p, T0 J6 u

    8 V: n# l: _, \' A* a; |1 y* w3 n0 e# ^; ?: E2 g% b" c, V

    . ~( N6 {5 p/ F  P5 r6 U0 ^2 R" P; a! @5 N, H1 R5 B+ B

    : [3 Y3 \* k6 X0 O& K2 v9 [2 f' \
    8 K/ w. s  B! `* P& ?' P
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