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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 0 M; x( x( R0 N9 V9 _* v( S

    4 d' Z. C& j6 D3 k4 ^9 _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' o  p' _" g# u$ t. K6 M$ a3 U
    - l+ w" H2 b8 M& @, L/ r# W3 u
                                    作者:李均宇(李恒星)  2015.09.07& W" G$ c- P" c2 e; W0 _0 l
    + |) T3 \+ j( I
       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:5 H/ L" n3 ^1 U/ T
    假设顶点数为N,+ ^0 @  H4 e- }% k0 d
        N=4,5,6时,具体的弗法正确性,我就不想验证了。
    * v+ t2 a' ~( Y+ C; X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?* J/ ~- Z( W$ V3 b4 J
        先研究下N=n弗法正确时的特性。
    9 N' b; K7 m2 P5 H3 vN=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。' E7 ?5 g2 S& q
    当N=n+1时,新加一点,称最后一点K。2 j$ T$ c9 ?4 |+ Y
    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。
    # x4 `) M+ e4 A- d0 h令最外层循环为k,中间层循环为j,最内层循环为i。) h! z/ h( ?) R9 k, {
    定理一:
    7 T& T2 T. @0 Q* ~3 A, b+ 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。
    * q/ Z  u7 [( s  I8 j证明:+ |, T- y9 w% ]9 @( ]& _
      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]。# i- ?3 u+ @1 l/ {& g: P6 o) R
    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].8 w+ A) u" n3 R! h: o! b& @
    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 @. ]& b- d8 r1 ?8 F定理二:
    ) S! [& \! ?; a0 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。
    % z# m) T) q$ K& {9 b" v证明:: B. f; l2 H3 E  T! g$ p" ~: M
       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。
    ) I8 i! l0 S. L2 l  F. f8 ^- c. ]0 Q/ o
    定理四:
    ; H0 F$ X3 @3 v, T  Q  O" K0 y   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)。
    6 j- Z) {- v7 z9 }$ f证明:; M- j  V. e& 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。4 f6 b4 x# I* n+ y6 ]+ {
    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。, G% f2 r1 k4 h3 _4 ~7 A
    可知i,j必连通,即D[i,j]必非无穷大。( U3 t  |( H8 ^3 I) e  ?1 o- r
    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。
    ; l7 X% r! {" U6 k" M. u  O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。
    ' @: B, P' `3 G! v3 M( G定理五:/ @; B8 E$ a. I% u6 I+ m: C( B7 s
       与k相连已经全是最短路。
    + n- |7 r/ R1 I  K+ a证明:& `( R; @  n" y1 m+ J: ?) H" R
       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。
    ' _, x! j( n0 M0 `: ?
    ) Z( O( t& X% V" [6 v: d. B& G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。( A( P; L5 {  Z- [) ?
    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。
    ! k( x' w- k: _( A0 o则N=n+1时,全部三重循环后,全部仍是最短路。# I% j- o3 u+ E1 \7 x
    由数学归纳法知,三重循环的弗洛伊德算法是正确的。; t+ U$ I. f4 m2 B7 y
    ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////$ ]; v" Y* C$ m* J' Y( t0 }
    关于弗洛伊德算法的新证明:2015.09.236 O1 ^- f& G2 e5 T) _" ~

    + Q2 H9 l9 P# D8 T4 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。
    % ?+ W! r0 j0 f6 }( i) b3 M" O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。# {* h( Z# D, K; B
    设k = n+1是最后一点。
    % C5 s! j6 @; R. c/ s1 A9 h, 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。( Z" Q6 @2 j% x7 J& j
    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。
    5 V1 r& _( b+ S; W3 s) f: {起点是a点,终点是b点,与k点直接相连的是c点,d点 。
    - r5 e. j! ?  _. e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。
    5 N9 c* Y7 X/ I- F# tk,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。$ p5 ?5 n4 k4 U  n' Y" x
    例如k点连通cd,c点连通ad,d点连通ab。
      u! H& N- j' o/ r. \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。
    : |' {. W5 l5 s/ V. q所以命题得证。% ^: f3 ~5 E' w" [

    / w1 v  {% f4 Q% ^, }  s4 y
    0 w) c/ ?/ M5 E0 f6 ?2 J, U; |, e2 u

    / e" v, R' F$ b5 M  S# J
    2 N* E  ?) A0 d: m8 p% v) ?: M4 ?& u

    3 z6 n& U  o5 z4 I' y3 T
      J3 p) J4 ~* X  u0 {4 ~
      L/ x* c# u8 s7 N* F7 W# \
    + i* t8 {8 T1 g0 f9 P/ Z
    9 F- x: Q% \/ E9 e. n. M+ M
    . O0 ?3 g5 W. N3 H  T" p. F4 U( j- }; [5 O$ e

    ' @) |0 l* n; @' `2 G* l8 o
    5 ]% x' L6 x; e- T4 n7 x$ s  y; N5 E  w6 A9 ~& B

    7 c& n4 r$ |" W8 j% r# T% S% m2 }' Q7 U" t" M/ Q; X  {3 u

    4 y- T5 s6 b* u# r+ c
    2 [/ T: L& G9 }# X' n& E) |, x, X- Z' D- ~$ B9 J  R. O
    7 F& r5 N& m" G. ?" r
    zan
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