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Python實(shí)現(xiàn)最短路徑問題的方法

發(fā)布日期:2022-03-11 15:08 | 文章來源:源碼中國

一、創(chuàng)建圖

在開始之前,我們先創(chuàng)建一個(gè)圖,使用鄰接矩陣表示有向網(wǎng):

class Graph(object):
 """
 以鄰接矩陣為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建有向網(wǎng)
 """
 def __init__(self, kind):
  # 圖的類型: 無向圖, 有向圖, 無向網(wǎng), 有向網(wǎng)
  # kind: Undigraph, Digraph, Undinetwork, Dinetwork,
  self.kind = kind
  # 頂點(diǎn)表
  self.vertexs = []
  # 邊表, 即鄰接矩陣, 是個(gè)二維的
  self.arcs = []
  # 當(dāng)前頂點(diǎn)數(shù)
  self.vexnum = 0
  # 當(dāng)前邊(弧)數(shù)
  self.arcnum = 0
 def CreateGraph(self, vertex_list, edge_list):
  """
  創(chuàng)建圖
  :param vertex_list: 頂點(diǎn)列表
  :param edge_list: 邊列表
  :return:
  """
  self.vexnum = len(vertex_list)
  self.arcnum = len(edge_list)
  for vertex in vertex_list:
vertex = Vertex(vertex)
# 頂點(diǎn)列表
self.vertexs.append(vertex)
# 鄰接矩陣, 初始化為無窮
self.arcs.append([float('inf')] * self.vexnum)
  for edge in edge_list:
ivertex = self.LocateVertex(edge[0])
jvertex = self.LocateVertex(edge[1])
weight = edge[2]
self.InsertArc(ivertex, jvertex, weight)
 def LocateVertex(self, vertex):
  """
  定位頂點(diǎn)在鄰接表中的位置
  :param vertex:
  :return:
  """
  index = 0
  while index < self.vexnum:
if self.vertexs[index].data == vertex:
 return index
else:
 index += 1
 def InsertArc(self, ivertex, jvertex, weight):
  """
  創(chuàng)建鄰接矩陣
  :param ivertex:
  :param jvertex:
  :param weight:
  :return:
  """
  if self.kind == 'Dinetwork':
self.arcs[ivertex][jvertex] = weight

  有關(guān)鄰接矩陣中頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)Vertex()的定義可以參考這篇博客,這里就不在貼出相應(yīng)的代碼了。

二、問題來源

  

假如我從城市 A A A出發(fā)坐火車去其他城市旅游,那么如何規(guī)劃路線使所花費(fèi)的車票錢最少呢?若將上述圖中的城市看成有向網(wǎng)中的頂點(diǎn),并將兩城市之間所需要的車票錢看做對(duì)應(yīng)弧的權(quán)值,那么這一問題的本質(zhì)就是求兩個(gè)頂點(diǎn)之間權(quán)值最小的路徑,簡稱最短路徑 ( S h o r t e s t (Shortest (Shortest P a t h ) Path) Path)。

三、Dijkstra算法

D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法,中文名叫迪杰斯特拉算法,它常用于求解源點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的最短路徑。

假設(shè) G = { V , { A } } G=\{V, \{A\}\} G={V,{A}}是含有 n n n個(gè)頂點(diǎn)的有向網(wǎng),以該圖中的頂點(diǎn) v v v為源點(diǎn),使用 D i j k s t r a

Dijkstra Dijkstra算法求頂點(diǎn) v v v到圖中其余各頂點(diǎn)的最短路徑的基本思路如下:
(1) 使用集合 S S S記錄已求得最短路徑的終點(diǎn),初始時(shí) S = { v } S=\{v\} S={v};
(2) 選擇一條長度最短的路徑,該路徑的終點(diǎn) w ∈ V − S w\in V-S w∈V−S,將 w w w并入 S S S,并將該最短路徑的長度記為 D w D_w Dw​;
(3) 對(duì)于 V − S V-S V−S中任一頂點(diǎn) s s s,將源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s的最短路徑長度記為 D s D_s Ds​,并將頂點(diǎn) w w w到頂點(diǎn) s s s的弧的權(quán)值記為 D w s D_{ws} Dws​,若 D w + D w s < D s D_w+D_{ws}<D_s Dw​+Dws​<Ds​,則將源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s的最短路徑的長度修改為 D w + D w s D_w+D_{ws} Dw​+Dws​;
(4) 重復(fù)執(zhí)行上述操作,直到 S = V S=V S=V。

D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法有些 P r i m Prim Prim算法的影子,這里使用一個(gè)輔助列表Dist,用來存儲(chǔ)源點(diǎn)到每一個(gè)終點(diǎn)的最短路徑長度,列表Path來存儲(chǔ)每一條最短路徑中倒數(shù)第二個(gè)頂點(diǎn)的下標(biāo)(弧尾下標(biāo)),除此之外還需要一個(gè)列表flag來記錄頂點(diǎn)是否已求得最短路徑。下面結(jié)合著 D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法來分析一下上面的那個(gè)有向網(wǎng):

(1) 這里要做的就是更新列表Dist和列表Path,假如以頂點(diǎn) A A A為起始點(diǎn),先將它加入 S S S中,然后尋找以頂點(diǎn) A A A為弧尾的最短路徑,這里找到了頂點(diǎn) B B B,然后繼續(xù)找下一個(gè)頂點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候就要做一個(gè)判斷了,即 D w + D w s < D s D_w+D_{ws}<D_s Dw​+Dws​<Ds​是否成立,這里的頂點(diǎn) s s s有兩種選擇,要么是頂點(diǎn) C C C,要么是頂點(diǎn) D D D,因?yàn)檫@兩個(gè)頂點(diǎn)都是以頂點(diǎn) w w w(即頂點(diǎn) B B B)為弧尾,按照順序,這個(gè)時(shí)候先選擇了頂點(diǎn) C C C,經(jīng)判斷: D A B + D B C < D A C D_{AB}+D_{BC}<D_{AC} DAB​+DBC​<DAC​(即 4 + 3 = 7 < 8 4+3=7<8 4+3=7<8)成立,然后更新源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s(即頂點(diǎn) C C C)的距離為7。這個(gè)時(shí)候頂點(diǎn) s s s又選擇了頂點(diǎn) D D D,經(jīng)判斷: D A B + D B D < D A D D_{AB}+D_{BD}<D_{AD} DAB​+DBD​<DAD​(即 4 + 8 = 12 < ∞ 4+8=12<\infty 4+8=12<∞)成立,然后更新源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s(即頂點(diǎn) D D D)的距離為12。

(2) 然后尋找以頂點(diǎn) C C C為弧尾的最短路徑,這里找到了頂點(diǎn) E E E,然后做一個(gè)路徑長度判斷,經(jīng)判斷: D A C + D C E < D A E D_{AC}+D_{CE}<D_{AE} DAC​+DCE​<DAE​(即 7 + 1 = 8 < ∞ 7+1=8<\infty 7+1=8<∞)成立,然后更新源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s(即頂點(diǎn) E E E)的距離為8,然后又找到了頂點(diǎn) F F F,然后做一個(gè)路徑長度判斷,經(jīng)判斷: D A C + D C F < D A F D_{AC}+D_{CF}<D_{AF} DAC​+DCF​<DAF​(即 7 + 6 = 13 < ∞ 7+6=13<\infty 7+6=13<∞)成立,然后更新源點(diǎn)到頂點(diǎn) s s s(即頂點(diǎn) F F F)的距離為13。

(3) 直至計(jì)算出所有源點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的距離。

D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法代碼實(shí)現(xiàn)如下:

 def Dijkstra(self, Vertex):
  """
  Dijkstra算法, 計(jì)算源點(diǎn)Vertex到其余各頂點(diǎn)的最短距離
  :param Vertex:
  :return:
  """
  # 源點(diǎn)到每一個(gè)終點(diǎn)的最短路徑長度
  Dist = []
  # 每一條最短路徑中倒數(shù)第二個(gè)頂點(diǎn)的下標(biāo)(弧尾下標(biāo))
  Path = []
  # 記錄頂點(diǎn)是否已求得最短路徑
  flag = [False] * self.vexnum
  index = 0
  while index < self.vexnum:
Dist.append(self.arcs[Vertex][index])
if self.arcs[Vertex][index] < float('inf'):
 # 存放弧尾下標(biāo)
 Path.append(Vertex)
else:
 Path.append(-1)
index += 1
  # 以頂點(diǎn)Vertex為源點(diǎn)
  Dist[Vertex] = 0
  Path[Vertex] = 0
  flag[Vertex] = True
  index = 1
  while index < self.vexnum:
minDist = float('inf')
# 尋找源點(diǎn)到下一個(gè)頂點(diǎn)wVertex的最短路徑
for i in range(self.vexnum):
 if not flag[i] and Dist[i] < minDist:
  wVertex = i
  minDist = Dist[i]
flag[wVertex] = True
sVertex = 0
minDist = float('inf')
# 更新源點(diǎn)到終點(diǎn)sVertex的最短路徑
while sVertex < self.vexnum:
 if not flag[sVertex]:
  if self.arcs[wVertex][sVertex] < minDist and \
Dist[wVertex] + self.arcs[wVertex][sVertex] < Dist[sVertex]:# 距離更新Dist[sVertex] = Dist[wVertex] + self.arcs[wVertex][sVertex]Path[sVertex] = wVertex
 sVertex += 1
index += 1
  # 輸出信息
  self.ShortestPathDijkstra(Vertex, Dist, Path)
 def ShortestPathDijkstra(self, Vertex, Dist, Path):
  """
  輸出從頂點(diǎn)Vertex到其余頂點(diǎn)的最短路徑
  :param Vertex:
  :param Dist:
  :param Path:
  :return:
  """
  tPath = []
  index = 0
  while index < self.vexnum:
# index是路徑終點(diǎn)
if index != Vertex:
 print('頂點(diǎn)' + self.vertexs[Vertex].data + '到達(dá)頂點(diǎn)' + self.vertexs[index].data + '的路徑及長度為:')
 # 從源點(diǎn)Vertex到終點(diǎn)index中間有可能經(jīng)過了多個(gè)頂點(diǎn)
 tPath.append(index)
 former = Path[index]
 while former != Vertex:
  tPath.append(former)
  former = Path[former]
 tPath.append(Vertex)
 while len(tPath) > 0:
  print(self.vertexs[tPath.pop()].data, end='')
 print('\t\t%d' % Dist[index])
index += 1

四、Floyd算法

F l o y d Floyd Floyd算法,中文名叫弗洛伊德算法,它常用于求解求解每一對(duì)頂點(diǎn)之間的最短路徑。

假設(shè) G = { V , { A } } G=\{V, \{A\}\} G={V,{A}}是含有 n n n個(gè)頂點(diǎn)的有向網(wǎng),使用 F l o y d Floyd Floyd算法求圖中每一對(duì)頂點(diǎn)間的最短路徑的基本思路如下:

(1) 對(duì)于圖 G G G中任意兩個(gè)頂點(diǎn) v v v和 w w w,將頂點(diǎn) v v v和頂點(diǎn) w w w的最短路徑的長度記為 D v w D_{vw} Dvw​,并依次判斷其余各頂點(diǎn)是否為這兩個(gè)頂點(diǎn)間最短路徑上的頂點(diǎn)。對(duì)于除了頂點(diǎn) v v v和頂點(diǎn)頂點(diǎn) w w w的任意頂點(diǎn) u u u,將頂點(diǎn) v v v和頂點(diǎn) u u u的最短路徑的長度記為 D v u D_{vu} Dvu​,并頂點(diǎn) u u u和頂點(diǎn) w w w的最短路徑的長度記為 D u w D_{uw} Duw​,若 D v u + D u w < D v w D_{vu}+D_{uw}<D_{vw} Dvu​+Duw​<Dvw​,則將 D v w D_{vw} Dvw​的值修改為 D v u + D u w D_{vu}+D_{uw} Dvu​+Duw​,即頂點(diǎn) v v v和頂點(diǎn) w w w的最短路徑經(jīng)過頂點(diǎn) u u u;

(2) 重復(fù)上述過程,直至圖中每一頂點(diǎn)間的最短路徑都被求出。

當(dāng)然了,也可以對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)使用 D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法來求得每對(duì)頂點(diǎn)的最短路徑。對(duì)于 F l o y d Floyd Floyd算法,這里使用一個(gè)輔助二維數(shù)組Dist,用來存儲(chǔ)源點(diǎn)到每一對(duì)頂點(diǎn)間的最短路徑長度,二維數(shù)組Path來存儲(chǔ)每一條最短路徑中倒數(shù)第二個(gè)頂點(diǎn)的下標(biāo)(弧尾下標(biāo))。下面結(jié)合著 F l o y d Floyd Floyd算法來分析一下最上面的那個(gè)有向網(wǎng)(由于頂點(diǎn)對(duì)較多,這里選擇 A − I A-I A−I的最短路徑進(jìn)行說明):

  

F l o y d Floyd Floyd算法代碼實(shí)現(xiàn)如下:

 def Floyd(self):
  """
  Floyd算法, 計(jì)算每一對(duì)頂點(diǎn)間的最短距離
  :return:
  """
  Dist = [[0 for _ in range(self.vexnum)] for _ in range(self.vexnum)]
  Path = [[0 for _ in range(self.vexnum)] for _ in range(self.vexnum)]
  for row in range(self.vexnum):
for column in range(self.vexnum):
 Dist[row][column] = self.arcs[row][column]
 if self.arcs[row][column] < float('inf') and row != column:
  Path[row][column] = row
 else:
  Path[row][column] = -1
  
  # 判斷圖中任意兩個(gè)頂點(diǎn)的最短路徑是否經(jīng)過了結(jié)點(diǎn)uVertex
  for uVertex in range(self.vexnum):
for vVertex in range(self.vexnum):
 for wVertex in range(self.vexnum):
  if vVertex != wVertex and \
Dist[vVertex][uVertex] + Dist[uVertex][wVertex] < Dist[vVertex][wVertex]:Dist[vVertex][wVertex] = Dist[vVertex][uVertex] + Dist[uVertex][wVertex]Path[vVertex][wVertex] = Path[uVertex][wVertex]
  # 輸出每一組頂點(diǎn)間的最短路徑
  self.ShortestPathFloyd(Dist, Path)
 def ShortestPathFloyd(self, Dist, Path):
  """
  輸出每一組頂點(diǎn)間的最短路徑
  :param Dist:
  :param Path:
  :return:
  """
  tPath = []
  for start in range(self.vexnum):
for end in range(self.vexnum):
 if start != end and Dist[start][end] < float('inf'):
  print('從頂點(diǎn)' + self.vertexs[start].data + '到頂點(diǎn)' + self.vertexs[end].data +  '的路徑及長度為:')
  tVertex = Path[start][end]
  tPath.append(end)
  while tVertex != -1 and tVertex != start:tPath.append(tVertex)tVertex = Path[start][tVertex]
  tPath.append(start)
  while len(tPath) > 0:print(self.vertexs[tPath.pop()].data, end='')
  print('\t\t%d' % Dist[start][end])

五、代碼測試

測試代碼如下:

if __name__ == '__main__':
 graph = Graph(kind='Dinetwork')
 graph.CreateGraph(vertex_list=['A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I'],
 edge_list=[('A', 'B', 4), ('A', 'C', 8), ('B', 'C', 3), ('B', 'D', 8),
  ('C', 'E', 1), ('C', 'F', 6), ('D', 'G', 7), ('D', 'H', 4),
  ('E', 'D', 2), ('E', 'F', 6), ('F', 'H', 2), ('G', 'I', 9),
  ('H', 'G', 14), ('H', 'I', 10)])
 print('{:*^30}'.format('Dijkstra算法'))
 # 起始位置的index為0
 graph.Dijkstra(0)
 print('{:*^30}'.format('Floyd算法'))
 graph.Floyd()

測試結(jié)果如下:


這里只看了一條,就是從頂點(diǎn) A A A到頂點(diǎn) I I I的路徑,可以看到 D i j k s t r a Dijkstra Dijkstra算法和 F l o y d Floyd Floyd算法求得的最短路徑都是24。

到此這篇關(guān)于Python實(shí)現(xiàn)最短路徑問題的方法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python最短路徑內(nèi)容請(qǐng)搜索本站以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持本站!

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