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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   I6 b: Y. @2 ]; e- d' t9 v( @. P
    , H3 ^. R9 U0 R7 z4 C2 J! q- b% M
    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) i6 N8 D3 _7 Q3 P8 Q
    , U* s# R: U! N- w
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
      o1 a  y/ Y5 H& u+ C9 N2 r1 ?3 F/ _7 F$ l" E6 ]
       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:0 D0 D& A& v8 O( J6 g! n
    假设顶点数为N,
    ; C! L* Y! d4 \+ @+ F0 @    N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    2 H- v" R6 G+ G, p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?  ^/ ?! f, S, k' }/ i: ?
        先研究下N=n弗法正确时的特性。, @8 t+ r" B* {: V1 a, y3 P' }
    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。
    ! K& t6 z- P# g) Y1 Q0 Z当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    8 C3 B" ]5 Y8 ~1 ?( a  O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 {9 p! L/ d3 y7 W5 c- S$ y) R令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
    7 `0 l' r. r+ h9 K$ G# c& i定理一:" [. D& Z3 b% f4 `4 d5 R0 n: r4 s5 {
       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。
    5 g# P+ P$ j7 h. g* ]  t( ^; p证明:; ?1 L3 ^9 {) m0 b% R
      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]。1 M) f+ G! W. X0 y/ R
    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].' F+ j1 n2 n$ y$ f" e% `
    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。
    . a" \! S6 w* N/ D: D# K定理二:# u) V* X# D+ Q
       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。% o0 h/ h6 h# z5 L, c
    证明:4 c% k  V9 \  l( g7 i2 g' n
       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 O* h$ U  y: ?( E4 i
    / d- [. u6 {* s" c$ v8 h定理四:
    / g) C4 \- d" P   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)。! K/ w  K& g- u) v* W0 f5 T* D0 W6 M
    证明:
    " ~: Z+ n) ^' I. G% o% b   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。+ A) P  k2 m% h
    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。# _6 _( y9 |7 l. L, O9 H! n: L
    可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
    1 w; g0 D7 T5 r4 x$ q& k, bD[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。; U. r5 v$ E& i
    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。" @$ E: R  ^6 U# S
    定理五:  O6 A. \9 A+ j: L* e, K
       与k相连已经全是最短路。
    9 R0 c* |4 v& C- c1 L0 w- d证明:- g* H! |5 s: b* j6 M/ W- ]- x7 |
       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。
    6 w) h1 D( Q* i9 k8 z$ H9 |& b$ r. }9 ?# J+ C6 Q
    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。
    " F" X. B: H" D8 ]# k" L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。
    $ N" ~& |' V  @则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。: L5 F/ q' \/ u( I" ^" a
    由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。
    2 K* r. c! ]( G//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// u! t, a$ X# a$ ?$ w4 H$ {2 I
    关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.237 M  c! Z6 D; B- `3 g; K" Y0 L

    ! s0 k: E# m' I+ i6 F, [经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    4 T2 n# M0 W- G; O8 g* 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。
    * k1 O0 v2 @& `4 s8 p设k = n+1是最后一点。8 j; H: g4 D+ N
    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。# a% U% h& w0 f9 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。( E! x1 D6 {. t
    起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。+ n& `3 R9 D  q2 ~$ i2 S
    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。! \( k! J* W2 l) P, d
    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。* h0 t4 }3 _: u  x
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。. z' Z' G9 D3 X2 [
    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。7 ?; J  v, S6 F4 B
    所以命题得证。
    . W- h- ~' \; c* P; s' k' K9 ?$ f5 w) ~& Y& i, _

    $ l  i! {" w  c/ ]' q: i
    " F  k! d* b- C: y% L
    ( E: f! `0 U7 }. ?. L% c4 A
      Y6 g) w2 N5 M6 B7 y" m1 z
    + r- h% o' E' v$ j; e9 j: r
    $ [/ T$ |) Q4 ^  r0 K
      s0 g6 w# k1 X* ~4 D3 f3 E1 J2 C' i8 ^6 F+ u7 k/ d
    * ^8 H" ^. g  I4 A1 f& A

    0 o: l$ T; f- G$ `5 {# N) o2 H2 [& g# j8 v$ @- l' l
    1 r* a+ [" ?  A$ y2 J

    0 ?6 z$ t, K- K; E/ Q1 s- a
    4 p1 D! M% }4 Q" B' C+ ]4 i/ |
    * a' E/ A* g- ]& p7 I4 T$ y0 b8 p3 d2 A( M* D$ c& g
    ! h  t. Z! f* d6 I
    $ [  i$ q7 e5 J
    0 R* p, d, C6 V% R  |5 c+ D% [
    2 x6 H& g1 v. w  a" z3 T
    " u4 W8 N6 c- z! r0 v; ^% n6 _
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