SPFA
SPFA
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本质:DP,基于队列优化的Bellman-Ford
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特点:单源最短路,求解一个源点到其他所有点的最短距离,不稳定
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适用对象:允许负权图,不允许负环图(负环:图上边权之和为负的环,负环图无法求解最短路),同时也可求最长路。
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存储结构:链式前向星
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核心思想:用队列保存松弛边的出度点,调整其邻接点
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优化思路:进行松弛操作的的邻接点入队
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算法流程:闫氏DP分析法
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状态表示:
- 集合:设源点 S S S,当前轮起点(非源点)为 U U U,当前轮起点邻接点 V V V。定义源点 S S S到每个顶点的最短路长度 d i s dis dis(初始化为 + ∞ +\infty +∞表示该点不可达,源点初始化为0),路径数组 p a t h path path(存储其上一个来源顶点,初始化为 − 1 -1 −1表示无路径),待处理点队列 Q Q Q(用于维护被松弛边的邻接点),顶点队列状态标记数组 i n in in,顶点入队次数数组 c n t cnt cnt。
- 属性: M i n Min Min
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状态计算:
- 不选第 k k k条边:若选当前边不能使边的终点 V V V到源点 S S S的距离减小,则不选该边。 d i s [ V ] dis[V] dis[V]不变。
- 选第 k k k条边:若选当前边能够使边的终点 V V V到源点 S S S的距离减小,则选该边。 d i s [ V ] = d i s [ U ] + W dis[V]=dis[U]+W dis[V]=dis[U]+W。(该边被松弛,之后的调整发生在该边终点及其一系列邻接点上,若该终点不在队列中,则将其入队)
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状态转移方程式: d i s [ V ] = m i n ( d i s [ V ] , d i s [ U ] + W ) dis[V]=min(dis[V],dis[U]+W) dis[V]=min(dis[V],dis[U]+W)
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复杂度:一般为 O ( E ) O(E) O(E),最差情况下退化至 O ( V E ) O(VE) O(VE)
由于SPFA的不稳定性,因此可构造数据使SPFA超时。若求解非负权图的最短路,应优先选用Dijkstra
实现
void spfa(){
vector<int>dis(n+1,INF),path(n+1,-1),cnt(n+1);
vector<bool>in(n+1);//标记数组,用于判断顶点是否在队列中
queue<int>q;//松弛后待处理顶点队列
dis[s]=0,q.push(s),in[s]=1,cnt[s]=1;
while(q.size()){
int U=q.front();
q.pop(),in[U]=0;//注意一定要弹出U,否则会使U在当前轮无法重新入队
for(int i=v[U].e;~i;i=e[i].n){//~i:i!=-1
int V=e[i].v,W=e[i].w;
if(dis[U]!=INF&&W!=INF&&dis[V]>dis[U]+W){
//松弛3个条件:当前起点dis非无穷,边权值非无穷,当前邻接点通过当前起点中转dis更小
dis[V]=dis[U]+W,path[V]=U;
if(!in[V])//该边终点不在队列中,将其入队
q.push(V),in[V]=1,cnt[V]++;
}
}
}
}
判断负环
若任意一点 c n t > n cnt>n cnt>n,则说明存在负环
bool check(){
for(auto i:cnt)
if(i>n) return 1;
return 0;
}
应用:差分约束系统
给定 n n n元一元一次不等式组, n n n个变量 x 1 x_1 x1~ x n x_n xn, m m m个形如 x i − x j ≤ c k x_i-x_j\le c_k xi−xj≤ck的两变量之差的约束条件( c k c_k ck为任意常数),求满足约束条件的一组可行解。
解的情况:无解/无穷解(带有任意常数仍成立)
转换为最短路:不等式可转换为 x i ≤ x j + c k x_i\le x_j+c_k xi≤xj+ck,与最短路松弛操作完全一致。因此可将 x i x_i xi看作节点 v v v, x j x_j xj看作节点 u u u,每个约束条件即为 < j , i > <j,i> <j,i>。
算法流程:
- 增设虚拟源点 s s s,并在 s s s与其他各点增设一条 w = 0 w=0 w=0的边
- 处理约束条件,将不等式转换为有向边
不等式 | 变形式 | 加边操作 |
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x i − x j ≤ c k x_i-x_j\le c_k xi−xj≤ck | x i ≤ x j + c k x_i\le x_j+c_k xi≤xj+ck | a d d ( j , i , c k ) add(j,i,c_k) add(j,i,ck) |
x i − x j ≥ c k x_i-x_j\ge c_k xi−xj≥ck | x j ≤ x i − c k x_j\le x_i-c_k xj≤xi−ck | a d d ( i , j , − c k ) add(i,j,-c_k) add(i,j,−ck) |
x i − x j = c k x_i-x_j=c_k xi−xj=ck | x i − x j ≤ c k , x i − x j ≥ c k x_i-x_j\le c_k,x_i-x_j\ge c_k xi−xj≤ck,xi−xj≥ck | a d d ( j , i , c k ) , a d d ( i , j , − c k ) add(j,i,c_k),add(i,j,-c_k) add(j,i,ck),add(i,j,−ck) |
- 运行SPFA。若出现负环则无解;否则 d i s [ i ] dis[i] dis[i]为则 x i x_i xi的一组可行解。
应用:最长路
存边时,边权存相反数。运行SPFA,最终的 d i s dis dis再取相反数,则为最长路。
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