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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
    ( k3 G- G6 r, }9 @, b) i3 i$ w; z# x; H' e3 C% }, p. A
    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
    9 a9 U2 T; v  e4 l+ \7 z7 t6 M/ y. T0 t
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
    8 T( n+ b' n. @( B& J% E
    & e; u& w% Z1 s   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:
    " y1 B/ u  [/ B9 m/ G. P假设顶点数为N,
    $ A0 n- W8 T) V- U( ]    N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    : H1 {% ~5 k+ V% @5 V! a8 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?
    ) Y9 ]) j8 H" E& t- r8 I  ?/ D    先研究下N=n弗法正确时的特性。
    7 N: P/ ^8 e" ?$ SN=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。$ {" ?# e% T! V
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    , U8 N( a7 y3 g- ~& |9 F' \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。' T; R; G0 x- o9 M
    令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。
    ! I. Z3 |4 A/ }/ H定理一:6 E$ o6 Y$ @# w- 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。
    & s8 c$ g; A% P& j: i证明:) |; Q+ ^/ [; D: O  t; 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]。/ q% C3 x2 E) E; q: s  h0 C
    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].7 \5 \$ e  U1 p. Q1 d% P6 z
    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 Y* \8 G1 D. [4 y3 z定理二:4 t" s7 x/ ]% x2 r% u% I; c& z
       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。3 y" _/ z0 w0 Q! h5 `4 {
    证明:
    # H" x& w4 r8 I$ [. S0 Y* Y& E   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。
    ) T* d6 K# q( l3 f, f5 U$ U; ^9 d- r$ g3 |
    定理四:9 {; F( n: U# K
       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)。
    - E# @* w1 A9 Z) c证明:
    $ N: j8 G/ f  F, h   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。6 @: v; w' _. d1 u
    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。
    * m$ j- Q2 J2 ^可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。+ z- H. A' w. C6 k" `
    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。- ], L1 x3 P( i% Y* p$ y
    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 ?& T& E3 K2 Z  P0 v
    定理五:7 t; E5 W/ X5 ^  A2 _3 F6 n7 ^
       与k相连已经全是最短路。
    : k% W- \1 P2 s0 y: Y; d# [证明:# F0 Y  O+ a1 q* c% a
       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 u' r1 O( s4 u2 i3 S. q4 \2 c7 O' Y8 s/ q! c9 f
    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。
    8 o& {$ p7 Q1 {  N+ 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。$ a. E2 [9 H" F, F' _8 q5 B
    则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。
    ) m) M1 {' F" t5 F1 m( l由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。  C& s( I  ~4 R( W" _7 c; K
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
      |% z, o& m$ L关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.238 V  f: {, s, n$ [8 `- p
    ! z7 r$ Z$ K8 f; c) A5 k" W
    经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。7 E- Y  |- y0 W0 s4 `- g/ I" 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。
    ( z4 l  ^1 {; R" J) y# z3 Z设k = n+1是最后一点。
    $ x$ E8 J( Z8 d! I% f: w0 z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。% X8 h5 f! S: m# 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。: v* w/ r8 ~( O  B6 P! C) P8 @' d
    起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    ; c2 Q( ?8 i# X2 u/ i9 \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。
    : a4 h. F, p0 }! Y% P: bk,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。
    1 e' a4 T2 X, ~/ z1 e( H例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
      y6 b5 n9 t: V) G4 q# E# u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。
    # i1 [) y2 h# E所以命题得证。3 [7 \! x2 ?3 k$ n7 l+ @; e
    ( e; Q# L7 p% ~9 p% }5 D# Z: b
    9 u6 ~( a' a2 y2 m

    # t, x- Y6 R( u- ^9 ~" C7 b! i4 p( v0 l7 T  p3 P* ?8 h0 D
    ; v- r$ Z! Z# G+ _( O) p5 n

    , G" {! ?: k1 I6 j
    2 V( ~  {, Z* S3 {$ X- d5 m; s
    / {! Z  A* z, y$ n% \/ A: [
    ' C" e+ ^3 l5 c) ^! }  z" h. M; G" k# ^- s: T: V
    1 h# Z" _9 x3 A- o
    ( d- ]3 N& y* [& r" M7 `! h

    % ]+ {! j4 X0 \3 C7 N5 Z& ], m8 B. \2 Y' V3 g2 l# F6 u

    3 A7 s. F4 [2 D  y7 _
    # H' O, ?2 Z8 ?3 k8 X- a
    4 S  d! f7 M( s) l5 z3 Y
    $ R+ A  A: o6 s+ y1 q; }# W6 g# ]
    * V- }2 _9 ?5 Q# Y7 `$ j* g
    : X, o, K; F  Q* F# M
    3 G3 j* m4 [5 l) \. Q6 O) L( I9 a# E7 f; i3 m3 l9 G$ ]
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