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本帖最后由 释永思 于 2015-9-23 16:16 编辑
/ p" A: |) l5 N" w" H' X$ R8 Y) F0 U2 h# G" Q( s
最短路径算法的弗洛伊德算法的数学归纳法冥想证明 Version 1.08 S& k) Z6 x; j, l$ X/ f+ Q
( d w! i2 z1 l0 }0 a
作者:李均宇(李恒星) 2015.09.07
% [0 q+ h" }" i& P" d) W, g* h! K+ i$ k, 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:1 ^8 P0 S5 r0 J9 g( S! o/ c
假设顶点数为N,1 e" K- q1 a/ a3 o/ ^) _
N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
! V- R4 t9 M! t. n2 n8 H: a2 ]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?7 Q- [8 o; }* h+ F
先研究下N=n弗法正确时的特性。3 j, M9 O+ |8 n8 R# G. z$ D
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。( i% c4 D5 g0 o- H( B6 _
当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
d: k4 D& `# U. ]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。
3 K9 s/ K* p& {/ q: J$ j$ ?令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。6 @; ^- e" N% E
定理一:
3 p# c m+ g- H 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 a! }" B; R- P3 v$ y- }2 S4 ?9 ]2 f$ s证明:
* d5 u3 V6 a" W: a b8 k; l v! | 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]。2 }6 y( b+ l! B. i: V" i- c$ C# P
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].; X+ \! B% _/ [# r3 C: c
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。 2 T! S* U7 q7 \: j$ ^
定理二:
. @9 W' w# I$ o: g7 Y3 G 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。1 b( w/ f1 }& n v
证明:
6 y8 v1 E1 O' _( S/ q 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。
4 }* a4 x7 K$ O) U$ D9 t& D8 _ q( c# }1 }
定理四:
/ U1 V2 o5 P; Q 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)。+ e4 x' k, n# ]
证明:3 u0 l G6 }1 \1 r$ ]# Z& N' S4 m4 h5 `
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。
+ e: X, f* @: n) V" B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$ o5 q; ~# L C可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
+ a7 N3 \8 W+ c5 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。
8 h) l4 ?* Y% h2 b0 L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。
6 Y& {4 o: H" r" d) j) W- B( Q' N定理五:: A1 S/ j& T, l/ s- g0 X
与k相连已经全是最短路。 g$ k$ p' R! a# m9 _) I
证明:
# h# V1 j2 @. |6 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。
; P; L3 S5 C$ `; X) ~3 m O1 e
' }8 b8 Y2 W6 g( 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。! y2 n) b4 y' y3 M
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。
# C' N/ b4 d' q. [5 f5 P" X则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
* p1 H" L3 E8 O由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。% a0 U+ \. t; f2 A! c, f
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////2 m& w! v' \( V9 F- r T, e5 o
关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
2 e) i7 I ^0 y3 k5 }. s) i9 X
经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
2 v4 n& N" j5 F2 J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。
" B7 }7 r" e" S( |$ G8 m设k = n+1是最后一点。
) l3 E. @; Z) ^- _' k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。
8 m5 \! L& c* Z: d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。3 M: n% O" U. P" |$ l
起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。* t4 k) p6 G; B& Q+ `" b
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! w& Q* {6 `& S% D2 }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。
`5 R9 q# W* O- {9 n例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。' C3 U; ^3 A# K
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。
% A4 E- @! R$ S) q& N( k所以命题得证。7 K5 o1 |" W i0 A1 ] U. P' Z# {
" F. `- F6 B; R
P- \% [% a! \! J5 i/ w, o M. p" W* {; `4 w( b
9 u# J5 K: e8 Q( O: O' c( A5 ~; @- ^
1 p; V$ o# _3 ~ I6 C; T" i
6 O! f4 p Z9 o1 w/ q) | K
E7 q. U- ?2 W" K
! G6 M8 X0 F% q/ i
6 [: Y9 b9 q3 Q# x" w0 v5 G: x! C) G2 O( F. C6 F9 k
& Y0 D6 f+ N! `4 v) s7 ^* C/ V& V0 Y8 D4 _4 R+ _! v( w
3 b" O9 }" b8 m) B( H1 I$ E& i j- @4 g8 e& e
5 w9 f6 z* M9 I6 R( h. _& h; S
1 H" _8 M$ x) n
5 C, Z" I! Z) Q/ X* R0 u5 w
- ~) v# {- D# n& V5 l3 C
- K H+ ]. [. @5 w0 |2 g
7 M$ E9 z- j5 W1 @$ d
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