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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 6 @8 v: R7 y( }7 ?3 ^- H8 k
    ' Q# Y) L9 S$ @. o# J# ^0 ~! V
    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& I0 \  q- Q! x5 `# y

    ! X% u7 F4 l- \4 n: F  |8 x                                作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
    ' J- ]8 K) x0 C
    2 |& k5 r& r7 Y/ u; y   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:
    % W3 `& p# q* f9 P" y假设顶点数为N,9 U& w  I! r& {$ Q( s5 L; u2 ?
        N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。: r& W2 u: e3 G: @  Y6 t1 Z
    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?$ P! N/ e9 o5 j( O; x- m
        先研究下N=n弗法正确时的特性。# t2 J$ B! q& v! k
    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。4 u* _2 p- A% E3 ^( w! t
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。% X. O# a$ X! h5 z. \# E/ L* _
    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。8 d6 H  ^! l( d0 O
    令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
    . t9 s' C' c+ V* G) T定理一:
    + h. q5 i8 j1 ]: p/ u/ 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。) v3 g& w* C3 A
    证明:0 {( c: d" ]/ J) f0 f7 I0 f) S6 m
      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$ ~) v/ @% [  c9 YD[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].
    " L2 S0 s( `- f/ I0 |6 i6 a0 N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。 : e. B) Z7 K) @7 I" F& Q
    定理二:: _( V; r6 X- I. j. P; s& C/ e
       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。  n' |1 Z8 ~% \- @! R
    证明:
    0 V- S2 @# G+ U   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。
    % J4 G7 f( G1 a7 t) O2 M- b$ o
    5 K% J' b4 v" o, v4 ?$ O8 r0 U1 }; P: `, y& O定理四:# @9 H9 R, R& g6 W/ i
       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)。. y9 N5 F8 ~$ q8 s" q
    证明:- H- |' ?& l* P& `; R1 c& Y
       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。
    + F5 m, Q1 S6 T. k9 _: ]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。
    * w0 ]4 Q. d, _& m可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。) w. N& A7 w8 V* G# ]
    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。
    # Y" n) z3 G# H5 V5 K: ?: d- R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。% w7 o: y6 g- ~* X! c) J0 c
    定理五:
    + r9 b. o, h3 [! G$ c4 y& V' A, O   与k相连已经全是最短路。
    6 L1 I  y4 l' Q' G/ i证明:- w1 F4 N) w; Z
       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。* v* ~# ~9 d0 H/ ^  P( [/ e

    7 m/ y5 \2 _7 ^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。  L5 f5 z- e/ k- Z% U8 Y
    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。
    ! ]% i( }6 Y: J7 N则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。+ d. v! R, `* p+ m( T) U
    由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。
    6 m8 C  j: {" P, `///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
    . a+ E. O7 d& F0 a# h( V' t; i关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
    / V' @( c( D, r* }
    $ E! J# L( f( h; J/ \, O经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    " W$ \, w* ]3 M0 n) Q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。
    2 S% o2 c: R+ _" L' G设k = n+1是最后一点。
    ' r9 X! O  {( R0 [. x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。
    / j1 p8 T6 J, Z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。8 x& I( E( n, k
    起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    : X2 e& e& g( v# O9 C7 A" k% a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。
    , o3 J9 |. N* m7 e) \; J4 C1 ]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。3 D6 ^4 x3 V8 w& t& u9 m& Z" {8 t
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
    ( f- h- ]+ u& o8 U6 [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。
    : z* L- |' a7 @: w5 d所以命题得证。
    . H$ M: D; E3 a1 M, N6 ^3 Q) V0 B0 W  S% b3 U; p1 F& R

    % t; Z* ]. ~% R' m, W
    , B  I0 g  n4 V# D0 V, e. v0 O
    / }$ u( X% d, [+ @2 g5 A1 p5 Y; N# r8 l7 b  i+ x
    ) F: @7 b$ w/ P5 @

    1 Q% W6 r$ E* I
    4 s. @- M$ z& E6 \$ l; g. b+ J; B7 R- o$ c5 Z( W  v" n! @) G( V/ O

    2 \7 m6 D4 I  e8 M3 m
    # q( n6 w8 d( F2 A% u1 W; D0 K3 B+ o: t. O# _  I
    % t+ a1 [4 K, y  }# `

    * J0 e5 H2 R* L& H  `8 J% s/ u" h8 l7 d! {& N- j3 K4 v+ z

    : Q3 E9 Y8 L6 _2 }# }- @, G/ u! k
    ! T8 K  y4 W( c2 Z2 R' e: m8 z' H1 T) L) p7 q% A

    # T$ h; v0 x8 b) i2 ?0 y  R. r; B# m$ D4 S( u" b" ?

    5 g5 |1 f) C- x: J9 z& H6 m+ c% |2 a$ L* O7 G6 i: L3 j9 y1 |% u
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