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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 ' \. q. |( V8 R
    " J4 Z- _" B+ o* B- o; |
    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
    4 a1 ~+ r5 I0 S5 Z' f$ Y7 L: J3 ]& m5 l% j  @* \
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.072 G* t0 Y( r4 W

    : @( a' x2 n) t% ~- m3 r7 e0 X   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 l/ ~! r+ p0 C. O2 F假设顶点数为N,# b  m+ B0 L* g/ X- Q. X
        N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    7 s8 V& e0 O* r4 q7 K' 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?
      K/ P3 d2 a9 g    先研究下N=n弗法正确时的特性。
    1 S5 A# _& C5 {N=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。, ?% v) V; e: I8 L% W8 ^
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    ' L- Y- ?3 V$ Y9 y  ?7 R) ^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。
    . T4 N. v# |! C& {  h% b令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
    0 J4 T) ?. Y( {定理一:
    ! y3 v8 a# B: k6 ~) ^! d   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。  M8 r1 X3 \& g+ ^; w
    证明:
    + D! ~7 v( \3 l, T/ p  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]。
      g6 F. f3 v# f5 Y) ND[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].
    & Z! D( O/ u# d& ?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。 0 w7 R* s# j5 h
    定理二:0 U" V" A( 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。+ e- ^: S9 L4 O- B& I& w6 N
    证明:
    , P- f1 a0 H3 d! L  K* z0 x; 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。
    7 e4 d: Z- [1 G6 ]" p' e  A  A6 Q* ?- {$ }" m
    定理四:5 I! b  n$ ?# h* N
       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)。; X3 p$ g, s; x  b
    证明:
    - V+ V. T% s! U) A# 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。
    9 M+ h/ x8 q% H5 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。& L& k1 s+ W! ~& o. x
    可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。& M6 y5 {! ?4 n" Y" e
    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。
    , q5 x  l& ]7 x9 r, I0 H+ 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。
    # d. y3 Q* P! |3 e. p' b8 d定理五:1 Y. A- \- q' I8 i4 q2 Y3 M
       与k相连已经全是最短路。
    ) v* F3 [; y: v1 \- E/ z' |! f证明:
    " B4 q" y" {* H' q   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。
    ! W) \4 F* K2 P' B/ {1 e4 W/ V2 g6 `3 g- D$ V1 o
    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。8 f! m5 ]5 N! Y7 ?1 ]8 o, X
    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。
    & n6 u% M$ S- [; p6 i- h则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
    1 n4 b1 U8 W) [- R2 O: u* [) m2 W由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。: S8 `& n: t$ c( T8 }
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    2 s3 M& U- f( O0 k! j, W关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
    1 y! u: b7 `! O4 ?% y4 v) |, O6 K8 _7 ]5 e
    经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。0 D0 ?% o  [% |' 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。
    $ H; J6 R9 `* ?" S! ]设k = n+1是最后一点。
    6 X# i0 f9 C! I: J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。1 u; h0 H/ s/ @9 W+ o! B7 A1 u' c
    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。
    : K, s; c$ }/ Q  K7 S: Y0 y起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    - ?+ T0 ^" F- V1 s& h- h' o, I% @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。: i, J1 U- [; X
    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。# h: I% \$ d% l# K
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。2 z; i) A0 {2 M1 r* p7 A6 s
    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。  f. ~3 \3 }$ A8 K
    所以命题得证。! g. P4 k2 k# {# b. t" R

    2 R& _1 ~- `9 B1 k3 c. J
    " ~" f4 @5 p. T) W1 P7 C" |5 i5 ]
    % i3 b$ E$ G/ c' ?4 [
    3 m# a' ^7 ?$ E. y2 m( Y, Q: D, O
    - K- j( @8 y; `8 v7 l# M
    & L) }; n0 B7 Y! ^, e
    / o' |6 U3 d/ I3 n3 v6 s. y( f2 i! N2 P) G0 p1 K
    7 s( o" Q) M) u0 a
    # g& e. c6 h! O- ~! x- M

    8 H( J5 b0 I9 |; [! T- n& m- R, S
    & Q  s+ W2 n# d; O4 P; T- i; ], z" R
    1 U; G" T/ y8 Z1 T) O8 m+ ?# \
      Q+ R1 }  g' `! y% ~7 P3 q+ J- P2 d

    % X& b  X6 T/ v
    0 d" l9 O" Y+ U/ o1 s. z+ m# x( y" n. b4 e1 B
    + \- Y1 W4 b3 d9 Z( u

    # `! b3 m2 \1 \8 N+ b+ [3 C  A. V( m2 ~: F9 M) ?7 x' @0 r
    2 }) l" y" A$ L
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