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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   j3 M- N. m" g3 _1 u. ?
    0 G9 ?6 N# X5 C" {
    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
    * S4 l# c9 L7 T
    : R+ T) b, m8 i& R% t' Z- U, C) T7 }                                作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07
    5 L* f& N$ U1 y2 w4 a+ |9 D
    # q# S' X* s3 c# F6 O7 r4 `7 {+ m1 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:" x' ^1 M9 z0 ^
    假设顶点数为N,' D7 q+ j1 P7 I
        N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。" W: g' i+ @2 S
    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?6 l( G1 }4 K, v; C
        先研究下N=n弗法正确时的特性。& `$ n1 F1 P$ {1 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。" [; D$ ^9 Y& ]/ \6 {
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。
    % x6 R4 f8 p2 Z9 P4 X' y7 _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。
    1 q% e& `* L, {$ E令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。2 l7 @# B% [$ l
    定理一:8 M" X5 y: A; E( `  Z) B4 o
       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。$ c& T; Z# }+ t: ?) ~
    证明:) \4 O; `) U# T( i; [
      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]。
    , G' |& L+ [7 G2 s' `/ |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].
    " C+ H$ u7 F! E1 F4 C$ X5 O% N/ o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。
    4 p8 u9 u3 P. |$ x( w5 ?定理二:
    $ g$ B$ s- E9 C# C: L, v" T% `   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 @  @) u0 T1 H( d. s证明:
    # ^& v3 Z( Z7 Z0 T6 A   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。
    3 }$ Z  g0 }6 v- n
    ( i$ j$ `) a' F. u' S, `" N8 H定理四:
    % H) n. B: D: 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)。  J9 A4 S- h. W1 s
    证明:
    & d4 h4 a4 r  I   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。  H: E; 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。
    " h+ N9 y/ R& ?2 |4 Q  N+ n可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。
    ) s  h0 q) \* r5 d4 a1 o2 ?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。
    * I- s# k, l: F: A7 y' D1 B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。0 L; B1 ^; R7 O* n
    定理五:
    6 g3 `1 N. h* E6 q. ~   与k相连已经全是最短路。, X* U# I4 Z5 n* u4 p* w9 I
    证明:+ u2 G9 x- f, z3 L6 o' 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。! V7 D% w. ~' `# ^1 w

    ) ~6 N) ?. c4 G; l9 ]) z* X6 g6 s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。2 c5 O* ^) O7 v* _* k
    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。
      U. w5 H2 x! l1 U# g则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。8 N  A: O4 |, S2 U$ g- [
    由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。
    1 x$ {, g4 w1 Q' |1 g% e1 a///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////0 W+ K  p- l8 n
    关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.23
    4 S9 R. a* \0 f( X7 U& q8 e! l
    $ i7 M0 i) o0 {! M; ~2 i经过弗法的三重循环后,任意两点之间的距离已是最短路。
    / _6 O) \# b; M# _8 v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。3 ]; D- O) }- ~  i& _- v2 }0 M. I! Q
    设k = n+1是最后一点。' i( M. l, U, e/ {' e
    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。
    3 J! `9 s; t+ h1 I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。
      }# r$ }8 ^/ |. D起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。# j, K; A* o' S3 x# ]  z4 _
    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。1 g+ E  K; U, k* y9 o6 l" F" K. 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。: v2 N0 M9 q2 D9 ~% d9 m7 S9 Q. W* h
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
    . q! ?( e* ]% ~4 a; X. \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。2 z% e& c2 F: k6 O$ j# f2 f2 |
    所以命题得证。
    ! @, b8 P( [) K' Y5 [% H  K( o3 n# `9 Y; c: V

    $ {* J% V8 V1 ^; M3 W
    6 o" O2 r: C3 w( k  j- f" S( l: K7 P0 g
    / m; \+ x  p( ?+ n

    1 ~( E8 L: Q9 p. h7 p: }) r) r4 M; I

    " |  h+ y! e9 D. I6 U. P7 u( O0 S- I  P" }* ~  x( z6 k& v/ t+ W3 J3 o

    9 d+ n, ?- c/ ~# r2 A
    , W1 M9 a8 {9 n3 q/ o2 x2 C( X) d& g2 t) y% v% X

    , p' i+ N* m# b' C- S0 S0 i; Y. P* ?/ W& [! v  p
    ( Z; C. m' M& z0 S& w6 ~

    0 L8 l8 Y/ ~' f+ r3 }* e" ^* k4 Y. D0 j  S/ ~4 z: H

    2 \# ^4 |6 f0 z, T# F+ F1 U/ {" [. |4 y4 M9 w
    8 |9 i/ v1 t( k2 _; p
    " b3 T* F4 w+ P$ I# ?. A
    + M9 ]8 B. i! V) d. u4 V  X
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