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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 ; L' t- [8 N8 h/ j5 O

    9 k" ?4 w$ w% {7 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
    6 q0 I9 I: V9 h1 p) t- f7 Q/ R) `8 V; Y7 B3 n8 t' N' l
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.073 G! r# W! g  q0 s4 B- K2 M) I

      V$ V6 w4 ]/ ^) F9 [+ K" o   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:
    6 W( L$ W% [) j$ x# _: s& D, N假设顶点数为N,6 F7 F  m# W3 g+ O! L
        N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    % s1 {( t4 _* v. h6 f6 R. C4 y7 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?$ m3 G. S! H" C; U. w6 j
        先研究下N=n弗法正确时的特性。
    8 I. b7 b4 O4 k: T5 `9 }3 G' w; qN=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。
    " o- X4 N! x" Q% ^; X& M) @当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。% T8 T2 m( Z2 L" l. @
    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。5 c# q  D7 j% z/ S* @0 d$ V5 z
    令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。0 R" A) l  u/ W7 x- h# J
    定理一:* {/ ]7 W" K' I# w  |
       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。: ?2 _' g  t& Y8 U0 u6 B$ T
    证明:
    * ?* ^4 e& I8 h' }# ]- S" X% z) I7 b  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]。
    ; S3 w* v! n  TD[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]., m# v# }5 P' H* `; e3 b
    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。 $ K5 x7 L" g- P
    定理二:
    2 o0 ~7 J3 v$ h% S# M   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。& I* h" |8 y4 m, D' y" }
    证明:
    * Z; d5 }0 `& [3 P* o   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。
    : c% z" `/ H4 ^7 l% N+ t1 Y% m  J8 G; u7 R) A& ?0 j1 e
    定理四:
    * _" B' `* u9 U! J   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)。
    & U- A5 a8 ^) F+ i( W证明:. j& }' ]. B# Z$ r3 D; S
       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。
    9 P- F/ T) |! v, F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。
    4 f3 }# D* r9 ~6 S/ @8 y% g& u1 ~可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。. ^; W: g7 [$ X6 P5 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。# L' n* d( M4 [# f3 C
    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。
    4 P$ b3 q8 T" c6 E( w3 T( q定理五:
    & o5 j+ F, R8 ]# v/ N+ X5 k   与k相连已经全是最短路。
    ! Q; c& V' g% k% |: `4 ?证明:
    : E" C; M( i7 W8 z( B   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。
    ' X  E- Q% [) o) e6 @) e
    . S5 p  P8 |  h: w9 r' Z# x) k9 Y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。3 z$ U- |! r! s# x8 O! B$ ?
    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。, W$ ]0 O5 Y8 P% U6 N& e
    则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
    5 L% T, I# b1 C0 _; R3 v由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。, a$ i9 L6 G: w% C" E
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
      ^5 e/ v8 F& V) ~# @+ q2 V) E关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23# B) A- n' x% J

    ) S/ L! l  N+ x: W经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    , d: l5 \" ~, g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。  _, K: z$ O( r5 x% ?1 R1 r
    设k = n+1是最后一点。
    , p1 O8 _, W2 |+ ~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 ~: X! M* ?0 v0 r4 K1 h
    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。
    * }1 @; V9 T, w4 e$ W* K& `* x. r起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。% r. W2 g; T  U  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。% \' u- F9 R. e# a8 i
    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。
    / Z) d: Z0 D& _5 ?; y; ]例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
    # f7 h# l/ `- p# T" }7 t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。- h/ M7 `  I8 F3 h" g1 G. ?& ]4 _
    所以命题得证。
    " e4 T# \2 C' x* y( ?; _. ^  H, t- J5 ^
    . a7 B& ^2 d4 q2 {6 \
    ( p3 H1 v1 \4 b
    % B" y8 D$ c4 p% c! r1 U, H* i

    : I" W; h& a* B5 g/ j9 q! N2 J
    9 O2 S- j, f: S/ j
    0 M" I3 u+ O* x% W
    7 u2 z4 d$ G6 d7 e8 R; Z6 ]5 a1 e

    % }+ O) L( {. T1 d/ a+ S. U* ~9 v5 V9 x# Z3 R

    / x4 }: `! x$ t. X2 u4 I* ?: M- T& w# p' H9 T
    ' _' P& b' d7 u. I! J3 D% ]/ f

    # U9 ]* H6 `( F8 v7 B0 I& Z. [+ k( h- w
    8 U7 W  s, ?+ [8 w" |
    5 U% s. C. \% ~6 s9 E
      C2 S+ }/ H& H" w# r

    % r3 Z! q  w# f6 m9 g! l
    4 ^* ^6 M6 R- I2 ~
    0 }$ J0 L) O7 l8 W
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