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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 ' j+ t- a6 Y, T% W. n, }+ T1 |
    % Y0 l" ~; m. M. [( ]# ^# A1 }
    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% I/ A4 `% V) @/ l0 C- {8 @

    . K! I9 `( N! R8 ?: _6 e; q                                作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
    ) }7 x! C  S% R: r3 i. U
    8 }0 N. `/ g& Y- S, }" r   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:/ m$ L6 M0 X1 |, H/ D
    假设顶点数为N,
    . c5 H+ d8 G  O; V    N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    % `! m1 {$ }* g: 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?
    : i* P* j2 x* k* Z) O    先研究下N=n弗法正确时的特性。
    % g+ U' `6 q: F/ v/ l6 ~1 \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。
    $ L5 \+ g2 e9 [8 a当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    + R4 o; F0 Y; k! x( @& }+ U3 [8 q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。# u5 i1 f4 N- @) v; y7 \
    令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
      B% |0 H. U, I( S定理一:
      {' \2 k# A& G   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。
    - {7 h' [, n+ F: q( K% Y! o证明:% d" e1 X* l* h5 H- G1 n
      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]。3 x! k  x' a$ |
    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+ I2 h7 x+ p$ {* S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。 ! e9 b0 b$ Z/ O, ]  |
    定理二:
    % i( K! `2 t8 ]' P0 a9 r. J   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 K  _+ b6 D" K8 W- R
    证明:
    ' ~7 e5 w, P6 q* Z: g   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。
    # z- K$ i! |. t1 @7 y' O0 k. j; @$ K8 \
    定理四:
    3 e5 A( Z/ Y/ \- ~( _& [! L$ f: |   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)。
    0 }+ B9 g" P4 {9 A3 C( [: h, h' R证明:
    : y# {! n0 K) k   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。( B( h3 y, M) N/ A( H. n
    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。$ i) Q* B6 B, \% h
    可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
    : x7 b( I5 i+ f3 G: I5 L, 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。
      {0 S0 D. _) v& ^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。* m' L9 B7 P8 a3 R$ H3 d- D, q# P
    定理五:4 M* Z! Z  ?8 Z
       与k相连已经全是最短路。
    , ?* i3 L/ S0 r2 `4 B证明:
    / J* {( ]; d' Z+ h# u   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。9 S: R0 r) s! q- H2 x* L% A1 T
    ( {: ~8 z  r; r/ {3 l
    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。
    " [4 O) M" e' O# _) [5 D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。4 m4 `! v9 M$ w) |& o
    则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
    3 P2 C( `0 a( s由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。, z, A: r+ }0 M9 E- F
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////8 W' A. a/ S; s$ f
    关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23* R' c3 \) w3 b$ ]6 {% k
    $ G+ t: S3 v% j/ L$ N2 D6 c
    经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    + T  [' ?$ i/ Y* M1 {: I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。' k0 s/ ~) Y# G3 ?% S' w
    设k = n+1是最后一点。
    6 F) L. J: q  S* c$ o8 w9 t% f; M  w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。. {: M2 m9 i0 W9 Z1 K
    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。+ v/ R' f6 Q# |2 c
    起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    0 }$ m# k8 s3 [8 o. g4 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。  U3 r7 I3 Q+ T1 a
    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 t8 V+ J8 ?) H例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。( A2 u& q- h' O4 v: 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。& ]: g% U5 q2 T
    所以命题得证。
    9 K5 L' @; A. i  a( R5 v' @' h2 d1 u( Z" I, E

    % d/ e* n) f7 W+ @  d* M
    ' f! C) {0 E9 S- u7 W
    / V% w; \  H  R! y- {2 q9 ?8 F# G% e" I8 B/ ^9 T6 N. S. y2 B
    3 }0 m  Y8 H1 _& j% }' z' s
    3 g, Q6 i1 N4 l- M

    * q5 B/ S) x& e
    % D. w% v  t1 T' z+ k5 |
    / N3 w, u* K  Y# J) C$ b" u$ l% X+ V& V6 X( P

    $ J. K1 |2 `) q  L$ p/ j& Q5 h9 [+ b% u

    5 S' Q) a% V6 Q4 E, N8 E# f0 F
    : q# t, w, _3 u( A8 m4 g
    " ]6 H  p$ a* X  s
    $ Z5 q2 ^. |( O$ y. k3 f3 S1 l/ O4 P
    - x" b) l0 C8 F9 [, U

    " I3 s; M) h' D4 _% j9 W. O6 ^$ z. `0 \  \; O
    " C5 v2 U. N6 D
    zan
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