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本帖最后由 释永思 于 2015-9-23 16:16 编辑 / w1 p( o L$ W& L; v/ i
$ D, M7 I' I' r8 R& i, |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& K8 ^( z/ T0 P! S: F( {
G& e6 x- |5 [, {% X$ l, d5 S 作者:李均宇(李恒星) 2015.09.072 b1 A) u' {( t+ B- ^6 H
: |6 Y5 Y& t7 o8 F6 L* x* \0 n 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:
! G- z, u9 A; W b假设顶点数为N,
, i* L2 Q0 a: k N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
6 p b8 p' b# ]3 Y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?4 G5 |, W9 q* [- ?7 @) A: }' D$ A
先研究下N=n弗法正确时的特性。
" D1 C& s w+ a& R- W2 g; `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。+ w6 Y( @# ]0 ]
当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。- ?: M8 U2 z, C: Z, K4 K. E! o/ d
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 `. {8 O2 m7 _* q令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
/ a% ^6 z# _ s# H9 U# q2 `定理一:
- J. X+ {, u1 A& T) _ 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。+ z. \7 K' q, ?/ Y. _1 P
证明:
* {6 i& J8 O9 m5 J s 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]。
. o# X5 S2 ]/ c2 U) ZD[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].6 j, q! u. B0 u9 w% k1 x& Q
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。 ' X/ s N; R/ E, y% @9 W
定理二:
4 S- W1 t; Z3 f9 |. V& l+ b 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。% B2 {& c2 I w( j* Q/ t
证明:
9 U8 a. t g3 n2 w) u6 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。
" l) e% R' g- l& D4 ], U- a* T' y) O4 W. F' T4 E+ C4 _6 A( g) Z
定理四:3 a! W: d, @! \: T# D2 ~
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)。 b8 `% j' F5 U( [$ a; I
证明:
! [3 M) @* O0 P: j" }; N2 @) | 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。' C% N$ P6 y; d5 h4 ], r2 X
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。' U d& f5 M# Q9 n* y( t' w. O5 X3 |
可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。" O% \: U$ {$ {2 F# n
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。0 ^ A- U: J( k$ A* S1 P% B# j
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。7 J4 \$ N; F! l2 g6 d
定理五:
% E, ^6 k' Y% r 与k相连已经全是最短路。* y7 c ]* q/ V" Z9 y m
证明:
- h. N. X; C: } 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。
d! @- I( h* P8 w
( O: B0 a1 t0 Y! V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。
' p+ ~% y9 \* z$ n- P8 T: I- a0 E6 [0 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。, ?3 I: ]2 ], K1 m* H( |& h5 Z
则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。! P3 j# |0 z+ [ V; i) n+ s) B
由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。" {. [ P3 l8 b& r) L
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
5 ^( Y4 g2 r r3 j% ?) Z4 G关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.237 ]! [- J9 Q5 E4 w( v2 z
1 F& g2 A9 o \: I6 k" X: I9 A. 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。( s% `2 L" I1 b% n% h5 B
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。; s2 R+ m+ U5 I! r& O% m4 [
设k = n+1是最后一点。
: i# L4 Z/ @1 ]# `. a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。
; ^5 d, C6 P1 a x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。
[4 }: Q4 H: I! Z4 W* I+ u起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
, ^" Q) G( K* |- k, p8 w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。, l; z/ v9 }* g- G5 T! l
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。* V( L; t& R8 } Y
例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。0 N+ P. k6 Q" I( F/ s; q
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。
! U7 M7 B9 G* p; Q4 D5 b所以命题得证。
7 z& v6 y" p& Y# ?, J8 u: ~
1 S; V/ c9 K1 ^+ B4 ?, C1 o5 ?; y g b5 E: J) c
* @9 c9 n$ _; j5 q6 C6 ?4 \" x. e; _4 j/ M1 n. H! D
6 p9 U6 A& z1 u
\# b+ e" F3 v N9 |6 H1 F+ q
6 z- G4 p7 v2 A- N
$ U* Z- E! f; |) ^, X) E
* N3 z* x/ A7 n* K' E1 W0 ]) U% x# L9 b7 Q+ D( _7 h, j
, ~- e& h4 O% B4 S9 P9 O0 W+ [5 n
; I T; J( S& k; c
0 O! |% `2 D# J- c0 H* P1 B/ _$ i/ E4 }! ?' d
5 \ j# e* R7 C4 }+ r
$ o9 _; M" Y/ O9 U' r% V0 h( N# h" ?
6 g/ N, Z' A1 M9 o; ^3 [4 r- n
5 g# M# l2 G b1 K) d
- I9 C+ G- `5 X' h- b6 l! F( _6 j* D J9 w; h- w# T
. v2 W( l& v z9 ` |
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