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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 9 S- O5 |! F; Q- Z
    $ M$ Q  @) M' ?- T0 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 1.01 k* N$ x! v7 [; h: u; U
    ; W3 P, h3 S$ s. w4 ?
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
    # j7 W6 s8 N; o' S6 O
    ! d, Z! ?, g/ 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:2 u- {' t& u$ s3 f- w$ `
    假设顶点数为N,
    # j( a- f  n) h+ f3 i" P, q    N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    0 @. D* X2 h, y. n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?
    : l; ], t. t2 i1 j+ v0 V/ \/ Q    先研究下N=n弗法正确时的特性。
    1 j+ e$ Y/ n3 d9 Y* S  g1 vN=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 \& p$ U  I( ]* Y. G5 V) K
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。/ f6 G$ G4 R) q  C, C
    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 L. q7 ?( s6 E令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。. j  w% i% R" {4 E
    定理一:# r# r- F' h, g1 X1 M0 n& U" E5 F# A7 \
       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。
    0 l) H5 j7 R  V9 g, C1 ~证明:
    9 ?+ Q* _: `/ s2 ?0 D  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]。
    8 X' C9 |7 T& `3 UD[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].# J$ j, u  E: j% R1 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。 : t  r3 T+ F, o$ A, S1 W
    定理二:+ Y( o. C. v0 ]3 O  c8 z
       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。
    * L* G9 R2 d! d* \( I- T证明:, }" _. C1 {  R
       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。
    7 R, L# Y8 `. Q9 g! W
    , n! y5 O% |! d4 T7 }! h+ z- R定理四:* _) [# Z0 D% E9 N6 f' F6 `
       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)。0 b$ z' s& Y" g# a  Z1 K
    证明:
    ! n( a" e" c2 _8 N# w3 C   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" o8 {! X' `2 U1 q; E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。
    " t0 Q" u0 c; E/ m" a可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
    0 W" z( O" H' O- wD[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。
    ! `% U6 ~) D+ e8 a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。- w  C3 p/ X: x+ a
    定理五:5 m4 B0 p* o  y9 f  L
       与k相连已经全是最短路。
    " |+ h) {5 F0 u8 z1 x2 ^证明:$ }0 N9 g. r; `5 S: j
       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。
    # a6 t4 O+ P: L/ I$ P; `/ m
    % y( k4 r3 x( i! G% f  J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。+ G0 _) y: |. w- D
    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。& q9 `  o# `9 _
    则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
    6 e  v4 l) y0 d( o7 c* s由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。
    8 j# m/ d1 K# G) c. |7 ~# g' |///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    4 E9 M$ {, r/ z' T关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
    # T5 c8 P0 h) e5 H
    ; l" m5 G7 T$ w- u0 b- I/ n经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。7 ]: V6 V& x2 Y
    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。- |- l$ ]1 ?$ ?" t* |) P
    设k = n+1是最后一点。9 g' l' O. k5 E4 M" J/ K. l, 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。' F, B  v3 d) O- N  l* A" S
    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。
    ' L- I7 i/ }$ Z- ^# {+ Z; a2 `6 @3 ^/ {起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。+ N* ]6 w; L0 j1 P
    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。$ S! N% i' Q- ~# q8 t# |( F! M
    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。+ E) M: r! N( x2 a0 K1 ^8 d- f
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。# i& \1 E% v( J0 L6 Y
    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。9 y4 x6 R0 c" p
    所以命题得证。% A$ n/ T7 B0 }0 P! e2 P; G

    & a) N$ ^5 @+ M- B. j) m! P$ O. T$ H/ Q" T7 d

    6 z! F# h3 T  ]" \% c6 X) f' c7 n6 V3 w* W; C1 h

    - ?+ h) M: B8 k- \/ B' b) \9 p9 W2 l# I6 N9 {* J

    5 {7 A: ^8 J$ a# N7 s/ [) @8 Y& `, h# R8 v6 Z" ^
    , W# |- `% n+ A2 O. y5 O
    5 C* Z3 C9 B: D3 `; s  j1 ]
    8 X  n, g, n: R

    # l0 J: B( ?6 b5 X- J
    * T% n7 O+ ^1 o1 e0 X1 v; U$ p$ j3 |# U" i
    ! M; B. Q5 c/ i- Y
    7 b3 {6 u% @6 N, u3 a- U. q( z
    2 ^/ l7 Q, ^( @; C! Q
    " ^$ I: ]/ S) r4 h. I$ W

    , y) `9 i" T! A* \; q
    . ]( V8 L8 \. f* }5 t) p1 g1 H. M% F) ~! x

    % R4 O- C* i$ Y4 @! m6 m
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