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本帖最后由 释永思 于 2015-9-23 16:16 编辑 $ k( K5 |$ y! B' K
: z$ c+ U+ j0 [) `& c0 g/ I" T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
2 r& |: R8 ^. u# ?; `1 D4 O8 t b9 g7 a& F4 H- `( H+ Z" G
作者:李均宇(李恒星) 2015.09.07
3 O) X, G1 c9 P# h, w# K+ K9 N3 M. S+ l5 m- @
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:/ v) k- A; d5 W4 f: L( w3 r
假设顶点数为N,0 H6 q) E' r! A* s" i
N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
) A: n6 j4 X' 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?
( n; V" j7 H' N) A; w" g' y 先研究下N=n弗法正确时的特性。
" M, b$ t: u8 h' N/ H4 yN=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。
& b( Q6 G5 t" X' i4 L当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。+ C6 |1 c0 T0 h, n$ k b- 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。
0 P) l8 p* e3 X+ ]6 x令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。4 \ ]! Y8 H) z+ T6 M
定理一:5 {; ]/ z' b4 J5 b/ ~4 `- V
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。% k4 k7 a N5 N7 V6 V
证明:: K* U N9 }% [# \6 ~6 c4 z. L- W
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]。4 }& X ]# u m* g/ n. I
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].8 j5 g3 c0 S: K/ w7 ~/ @! h" C3 ^
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。 " z6 M* j% b# ^/ o/ C* J5 T5 ^
定理二:
. G- w# c2 r& 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。
B5 w1 g; f/ r, Z3 c证明:
! Y& [& X2 S& f2 W 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。
' J+ @4 t7 G4 ` T5 A
+ d' l5 W# W1 ~8 i# V* J" w定理四:
3 R2 p1 K0 a! E, g 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)。
& B S. g) Q6 j7 G. S( K; j证明:3 C4 f" t9 r$ u
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。
, q. Y, z' O; m& d, {. `' n, j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。$ W( {2 f1 O# W& y' C$ p. X
可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
7 M- [; L) W3 o4 x& F/ HD[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。
; ^9 g% V) x6 x& b" d# Z3 T& N7 v7 U) f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。& z0 }, r$ v. A3 `0 @
定理五:- |" c& K+ @* r1 B. f) t( D
与k相连已经全是最短路。
( @. k" s' I' w* ?( F/ B证明:
$ V! ^. G: P4 c9 w 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。: U9 C5 q0 I. K- s
6 c; u- `! ^" }1 H3 | 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。5 Q( J l- B& q+ A& ~" M# O/ e* N
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。
0 X! \; B* D% z* s则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。0 O5 u* S( K, L( P
由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。+ g8 F3 b# y2 [7 x1 y: R1 g
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////1 d# L! k0 a* `) ]' V3 ?) w
关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
+ S/ X2 `5 f# A: d5 z" S. T7 k& j
+ a# i- I9 h$ W4 O, H& L/ _经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。" J! ~, W. K9 t- T- y* h/ 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。9 N0 I3 T0 V% S/ f6 S/ D1 o
设k = n+1是最后一点。
; X3 W% |2 P0 }" G( k m2 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。$ U3 S$ z( p/ i2 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。
1 i, f6 i0 N+ V起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。* ^, c. }- y# V* 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。
3 Y1 S! N! k! g# Bk,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。
* S; I6 _1 _# J/ Y7 e" t例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。2 x1 f# J8 S" B. V
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。
, Q# h. O5 k% Z: z! j8 t0 T; i, w所以命题得证。! D1 r% `: L2 g6 \* B: C: T2 j
* a) k- |2 o e( N& b. ?
# _# a D* C# ~" |. k& x! N( F4 F% y. s5 k: Y; O7 k
`" L" ^( Y5 D @5 D6 L! X9 z9 E( D3 t( D1 q5 F0 K* J
! o" u+ r& _1 P: R3 @+ d
$ O: ~" A, v8 p* p3 N R0 |* A5 f9 \$ t2 m) C. Q) ~
. d: L6 H7 l8 A0 W1 ~
. E. s7 h o. |
" o) W" a+ D9 y, d% v5 K6 b0 D) ]2 N: t$ Y4 L* D
; r+ x% K5 F8 i4 M7 x1 f, L- C) b
7 c k( d# v5 t3 N+ U; U$ g
p" _& S* j \. V% q) z+ }4 t9 [0 J- c
! b* M, B; X1 R* G. Y4 i$ l) f& c+ w2 e( N2 P" z5 {- _
: }# s$ N' J- B; }+ w% f
% d3 Z+ x) L8 l( U, u! _; k0 P( C
& |# b& c( T3 A+ }, u% X" Q6 T X0 M2 r3 D- P& a6 Z
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zan
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