15 | 从树到图:如何让计算机学会看地图?

你好,我是黄申。

我们经常使用手机上的地图导航App,查找出行的路线。那计算机是如何在多个选择中找到最优解呢?换句话说,计算机是如何挑选出最佳路线的呢?

前几节,我们讲了数学中非常重要的图论中的概念,图,尤其是树中的广度优先搜索。在广度优先的策略中,因为社交网络中的关系是双向的,所以我们直接用无向边来求解图中任意两点的最短通路。

这里,我们依旧可以用图来解决这个问题,但是,影响到达最终目的地的因素有很多,比如出行的交通工具、行驶的距离、每条道路的交通状况等等,因此,我们需要赋予到达目的地的每条边,不同的权重。而我们想求的最佳路线,其实就是各边权重之和最小的通路。

我们前面说了,广度优先搜索只测量通路的长度,而不考虑每条边上的权重。那么广度优先搜索就无法高效地完成这个任务了。那我们能否把它改造或者优化一下呢?

我们需要先把交通地图转为图的模型。图中的每个结点表示一个地点,每条边表示一条道路或者交通工具的路线。其中,边是有向的,表示单行道等情况;其次,边是有权重的。

假设你关心的是路上所花费的时间,那么权重就是从一点到另一点所花费的时间;如果你关心的是距离,那么权重就是两点之间的物理距离。这样,我们就把交通导航转换成图论中的一个问题:在边有权重的图中,如何让计算机查找最优通路?

基于广度优先或深度优先搜索的方法

我们以寻找耗时最短的路线为例来看看。

一旦我们把地图转换成了图的模型,就可以运用广度优先搜索,计算从某个出发点,到图中任意一个其他结点的总耗时

基本思路是,从出发点开始,广度优先遍历每个点,当遍历到某个点的时候,如果该点还没有耗时的记录,记下当前这条通路的耗时。如果该点之前已经有耗时记录了,那就比较当前这条通路的耗时是不是比之前少。如果是,那就用当前的替换掉之前的记录。

实际上,地图导航和之前社交网络最大的不同在于,每个结点被访问了一次还是多次。在之前的社交网络的案例中,使用广度优先策略时,对每个结点的首次访问就能获得最短通路,因此每个结点只需要被访问一次,这也是为什么广度优先比深度优先更有效。

而在地图导航的案例中,从出发点到某个目的地结点,可能有不同的通路,也就意味着耗时不同。而耗时是通路上每条边的权重决定的,而不是通路的长度。因此,为了获取达到某个点的最短时间,我们必须遍历所有可能的路线,来取得最小值。这也就是说,我们对某些结点的访问可能有多次。

我画了一张图,方便你理解多条通路对最终结果的影响。这张图中有A、B、C、D、E五个结点,分别表示不同的地点。

从这个图中可以看出,从A点出发到目的地B点,一共有三条路线。

  • 如果你直接从A点到B点,度数为1,需要50分钟。
  • 从A点到C点再到B点,虽然度数为2,但总共只要40分钟。
  • 从A点到D点,到E点,再到最后的B点,虽然度数为3,但是总耗时只有35分钟,比其他所有的路线更优。

这种情形之下,使用广度优先找到的最短通路,不一定是最优的路线。所以,对于在地图上查找最优路线的问题,无论是广度优先还是深度优先的策略,都需要遍历所有可能的路线,然后取最优的解。

在遍历所有可能的路线时,有几个问题需要注意。

第一,由于要遍历所有可能的通路,因此一个点可能会被访问多次。当然,这个“多次“是指某个结点出现在不同通路中,而不是多次出现在同一条通路中。因为我们不想让用户总是兜圈子,所以需要避免回路。

第二,如果某个结点x和起始点s之间存在多个通路,每当x到s之间的最优路线被更新之后,我们还需要更新所有和x相邻的结点之最优路线,计算复杂度会很高。

一个优化的版本:Dijkstra算法

无论是广度优先还是深度优先的实现,算法对每个结点的访问都可能多于一次。而访问多次,就意味着要消耗更多的计算机资源。那么,有没有可能在保证最终结果是正确的情况下,尽可能地减少访问结点的次数,来提升算法的效率呢?

首先,我们思考一下,对于某些结点,是不是可以提前获得到达它们的最终的解(例如最短耗时、最短距离、最低价格等等),从而把它们提前移出遍历的清单?如果有,是哪些结点呢?什么时候可以把它们移除呢?Dijkstra算法要登场了!它简直就是为了解决这些问题量身定制的。

Dijkstra算法的核心思想是,对于某个结点,如果我们已经发现了最优的通路,那么就无需在将来的步骤中,再次考虑这个结点。Dijkstra算法很巧妙地找到这种点,而且能确保已经为它找到了最优路径。

1.Dijkstra算法的主要步骤

让我们先来看看Dijkstra算法的主要步骤,然后再来理解,它究竟是如何确定哪些结点已经拥有了最优解。

首先你需要了解几个符号。

第一个是source,我们用它表示图中的起始点,缩写是s。

然后是weight,表示二维数组,保存了任意边的权重,缩写为w。w[m, n]表示从结点m到结点n的有向边之权重,大于等于0。如果m到n有多条边,而且权重各自不同,那么取权重最小的那条边。

接下来是min_weight,表示一维数组,保存了从s到任意结点的最小权重,缩写为mw。假设从s到某个结点m有多条通路,而每条通路的权重是这条通路上所有边的权重之和,那么mw[m]就表示这些通路权重中的最小值。mw[s]=0,表示起始点到自己的最小权重为0。

最后是Finish,表示已经找到最小权重的结点之集合,缩写为F。一旦结点被放入集合F,这个结点就不再参与将来的计算。

初始的时候,Dijkstra算法会做三件事情。第一,把起始点s的最小权重赋为0,也就是mw[s] = 0。第二,往集合F里添加结点s,F包含且仅包含s。第三,假设结点 s 能直接到达的边集合为M,对于其中的每一个对端节点m,则把mw[m]设为w[s, m],同时对于所有其他s不能直接到达的结点,将通路的权重设为无穷大。

然后,Dijkstra算法会重复下列两个步骤。

第一步,查找最小mw。从mw数组选择最小值,则这个值就是起始点s到所对应的结点的最小权重,并且把这个点加入到F中,针对这个点的计算就算完成了。

比如,当前mw中最小的值是mw[x]=10,那么结点s到结点x的最小权重就是10,并且把结点x放入集合F,将来没有必要再考虑点x,mw[x]可能的最小值也就确定为10了。

第二步,更新权重。然后,我们看看,新加入F的结点x,是不是可以直接到达其他结点。如果是,看看通过x到达其他点的通路权重,是否比这些点当前的mw更小,如果是,那么就替换这些点在mw中的值。

例如,x可以直接到达y,那么把(mw[x] + w[x, y])和mw[y]比较,如果(mw[x] + w[x, y])的值更小,那么把mw[y]更新为这个更小的值,而我们把x称为y的前驱结点。

然后,重复上述两步,再次从mw中找出最小值,此时要求mw对应的结点不属于F,重复上述动作,直到集合F包含了图的所有结点,也就是说,没有结点需要处理了。

字面描述有些抽象,我用一个具体的例子来解释一下。你可以看我画的这个图。

我们把结点s放入集合F。同s直接相连的结点有a、b、c和d,我把它们的mw更新为w数组中的值,就可以得到如下结果:

然后,我们从mw选出最小的值0.2,把对应的结点c加入集合F,并更新和c直接相连的结点f、h的mw值,得到如下结果:

然后,我们从mw选出最小的值0.3,把对应的结点b加入集合F,并更新和b直接相连的结点a和f的mw值。以此逐步类推,可以得到如下的最终结果:

你可以试着自己从头到尾推导一下,看看结果是不是和我的一致。

说到这里,你可能会产生一个疑问:Dijkstra算法提前把一些结点排除在计算之外,而且没有遍历全部可能的路径,那么它是如何确保找到最优路径的呢?

下面,我们就来看看这个问题的答案。Dijkstra算法的步骤看上去有点复杂,不过其中最关键的两步是:第一个是每次选择最小的mw;第二个是,假设被选中的最小mw,所对应的结点是x,那么查看和x直接相连的结点,并更新它们的mw。

2.为什么每次都要选择最小的mw?

最小的、非无穷大的mw值,对应的结点是还没有加入F集合的、且和s有通路的那些结点。假设当前mw数组中最小的值是mw[x],对应的结点是x。如果边的权重都是正值,那么通路上的权重之和是单调递增的,所以其他通路的权重之和一定大于当前的mw[x],因此即使存在其他的通路,其权重也会比mw[x]大。

你可以结合这个图,来理解我刚才这段话。

图中的虚线表示省去了通路中间的若干结点。mw[x]是当前mw数组中的最小值,所以它小于等于任何一个mw[xn],其中xn不等于x。

我们假设存在另一个通路,通过$x_{n}$达到x,那么通路的权重总和为mw[$x_{n}$] + w[$x_{n}$, x] ≥ mw[$x_{n}$] ≥ mw[x]。所以我们可以得到一个结论:拥有最小mw值的结点x不可能再找到更小的mw值,可以把它放入“已完成“的集合F。

这就是为什么每次都要选择最小的mw值,并认为对应的结点已经完成了计算。和广度优先或者深度优先的搜索相比,Dijkstra算法可以避免对某些结点,重复而且无效的访问。因此,每次选择最小的mw,就可以提升了搜索的效率。

3.为什么每次都要看x直接相连的结点?

我们已经确定mw[x]是从点s到点x的最小权重,那么就可以把这个确定的值传播到和x直接相连、而且不在F中的结点。通过这一步,我们就可以获得从点s到这些点、而且经过x的通路中最小的那个权重。我画了张图帮助你理解。

在这个图中,x直接相连$y_{1}$,$y_{2}$,…,$y_{n}$。从点s到点x的mw[x]已经确定了,那么对于从s到yn的所有通路,只有两种可能,经过x和不经过x。如果这条通路经过x,那么其权重的最小值就是mw’[$y_{i}$] = mw[x] + w[x, $y_{i}$]中的一个(1≤i≤n),我们只需要把这个值和其他未经过x结点的通路之权重对比就足够了。这就是为什么每次要更新和x直接相连的结点之mw。

这一步和广度优先策略中的查找某个结点的所有相邻结点类似。但是,之后,Dijkstra算法重复挑选最小权重的步骤,既没有遵从广度优先,也没有遵从深度优先。即便如此,它仍然保证了不会遗漏任意一点和起始点s之间、拥有最小权重的通路,从而保证了搜索的覆盖率。你可能会奇怪,这是如何得到保证的?我使用数学归纳法,来证明一下。

你还记得数学归纳法的一般步骤吗?刚好借由这个例子我们也来复习一下。

我们的命题是,对于任意一个点,Dijkstra算法都可以找到它和起始点s之间拥有最小权重的通路。

首先,当n=1的时候,也就是只有起始点s和另一个终止点的时候,Dijkstra算法的初始化阶段的第3步,保证了命题的成立。

然后,我们假设n=k-1的时候命题成立,同时需要证明n=k的时候命题也成立。命题在n=k-1时成立,表明从点s到k-1个终点的任何一个时,Dijkstra算法都能找到拥有最小权重的通路。那么再增加一个结点x,Dijkstra算法同样可以为包含x的k个终点找到最小权重通路。

这里我们只需要考虑x和这k-1个点连通的情况。因为如果不连通,就没有必要考虑x了。既然连通,x可能会指向之前k-1个结点,也有可能被这k-1个结点所指向。假设x指向了y,而z指向了x,y和z都是之前k-1个结点中的一员。

我们先来看x对y的影响。如果x不在从s到y的最小权重通路上,那么x的加入并不影响mw[y]的最终结果。如果x在从s到y的最小权重通路上,那么就意味着mw[x] + w[x, y]≤mw’[y],mw’表示没有引入结点x的时候,mw的值。

所以有mw[x]≤mw’[y],这就意味着Dijkstra算法在查找最小mw的步骤中,会在mw’[y]之前挑出mw[x],也就是找到了从s到y,且经过x的最小权重通路。

我们再来看z对x的影响。假设有多个z指向x,分别是$z_{1}$, $z_{2}$, …,$z_{m}$,从s到x的通路必定会经过这m个z结点中的一个。Dijkstra算法中找最小mw的步骤,一定会遍历mw[$z_{i}$](1<=i<=m),而更新权重的步骤,可以并保证从(mw[$z_{i}$] + w[$z_{i}$, x])中找出最小值,最终找到从s到x的最优通路。

有了详细的推导,想要写出代码就不难了。我这里只给你说几点需要注意的地方。

在自动生成图的函数中,你需要把广度优先搜索的相应代码做两处修改。第一,现在边是有向的了,所以生成的边只需要添加一次;第二,要给边赋予一个权重值,例如可以把边的权重设置为[0,1.0)之间的float型数值。

为了更好地模块化,你可以实现两个函数:findGeoWithMinWeight和updateWeight。它们分别对应于我之前提到的最重要的两步:每次选择最小的mw;更新和x直接相连的结点之mw。

每次查找最小mw的时候,我们需要跳过已经完成的结点,只考虑那些不在F集合中的点。这也是Dijkstra算法比较高效的原因。此外,如果你想输出最优路径上的每个结点,那么在updateWeight函数中就要记录每个结点的前驱结点。

如果你能跟着我进行一步步的推导,并且手写代码进行练习,相信你对Dijkstra算法会有更深刻的印象。

小结

我们使用Dijkstra算法来查找地图中两点之间的最短路径,而今天我所介绍的Dijkstra使用了更为抽象的“权重”。如果我们把结点作为地理位置,边的权重设置为路上所花费的时间,那么Dijkstra算法就能帮助我们找到,任意两个点之间耗时最短的路线。

除了时间之外,你也可以对图的边设置其他类型的权重,比如距离、价格,这样Dijkstra算法可以让用户找到地图任意两点之间的最短路线,或者出行的最低价格等等。有的时候,边的权重越大越好,比如观光车开过某条路线的车票收入。对于这种情况,Dijkstra算法就需要调整一下,每次找到最大的mw,更新邻近结点时也要找更大的值。所以,你只要掌握核心的思路就可以了,具体的实现可以根据情况去灵活调整。

思考题

今天的思考题和地图数据的特殊情况有关。

  1. 如果边的权重是负数,我们还能用今天讲的Dijkstra算法吗?

  2. 如果地图中存在多条最优路径,也就是说多条路径的权重和都是相等的,那么我刚刚介绍的Dijkstra算法应该如何修改呢?

欢迎在留言区交作业,并写下你今天的学习笔记。你可以点击“请朋友读”,把今天的内容分享给你的好友,和他一起精进。

精选留言

  • Being

    2019-01-17 13:43:43

    思考1: 如果边权值为负数就不能使用Dijkstra了,因为该算法是贪心算法,即每步都找最优解,在当前步的最优基础上找下一步最优,一定是单调递增的,而出现负权边,这样的前提就不满足了。
    而且也不能有带负权值的环,这个样就会一直找当前最优,而且总是满足。
    思考2:就在找最小值时返回最小值集合,更新集合内所有点的直连边权值的最小值,且把集合点都加入F。
    (by the way这张封面图挺好看的🙂)
    作者回复

    回答思路很清晰,封面要感谢编辑帮忙 :)

    2019-01-18 02:05:07

  • 失火的夏天

    2019-01-30 12:32:07

    Dijkstra好像是基于贪心算法的思想,因为老师用数学归纳法证明了贪心选择可以得到最优,但是出现了负数,就不满足贪心选择了,算法思路应该就变成了动态规划
    作者回复

    Dijkstra是贪心,还是动态规划,确实有些不同意见。我个人觉得Dijkstra不算是贪心,因为贪心算法往往无法得到最优解,胜在简单和效率。而Dijkstra是可以找到最优的。我觉得Dijkstra更接近动态规划

    2019-01-31 01:07:27

  • 梦倚栏杆

    2019-04-08 09:25:17

    负数也可以吧,我们取负数的最小值,然后所有边全部加上这个负数的最小值,转换一下不就可以了吗?
    作者回复

    如果全都是负数也是可以的,只要保证单调性。如果同时有正有负就不行了,无法保证单调性,没法按照Dijkstra算法的方式进行优化。

    2019-04-09 00:18:54

  • qinggeouye

    2019-03-03 01:17:17

    # python 实现
    https://github.com/qinggeouye/GeekTime/blob/master/MathematicProgrammer/15_theShortestPath/lesson15_1.py

    # 实现效果
    用户 0 的好友: [5], 权重值 [0.42]
    用户 1 的好友: [4, 9, 0, 6, 3], 权重值 [0.99, 0.16, 0.2, 0.6, 0.1]
    用户 2 的好友: 不存在
    用户 3 的好友: 不存在
    用户 4 的好友: [2, 5, 3], 权重值 [0.17, 0.03, 0.03]
    用户 5 的好友: [7], 权重值 [0.19]
    用户 6 的好友: [4], 权重值 [0.38]
    用户 7 的好友: [8, 1], 权重值 [0.86, 0.63]
    用户 8 的好友: [7, 3], 权重值 [0.8, 0.19]
    用户 9 的好友: [1], 权重值 [0.97]

    ------------- Dijkstra 单源最短路径算法 --------------
    各下标节点对应的前驱节点: [1, None, 4, 1, 6, 0, 1, 5, 7, 1]
    ------------- 源点 1 到其它各节点的最短路径 ----------
    源点 1 到 0 的最短路径:1 -> 0
    源点 1 到 1 的最短路径:不存在
    源点 1 到 2 的最短路径:1 -> 6 -> 4 -> 2
    源点 1 到 3 的最短路径:1 -> 3
    源点 1 到 4 的最短路径:1 -> 6 -> 4
    源点 1 到 5 的最短路径:1 -> 0 -> 5
    源点 1 到 6 的最短路径:1 -> 6
    源点 1 到 7 的最短路径:1 -> 0 -> 5 -> 7
    源点 1 到 8 的最短路径:1 -> 0 -> 5 -> 7 -> 8
    源点 1 到 9 的最短路径:1 -> 9
  • caohuan

    2019-01-22 19:00:47

    黄老师 说的老长了,如果给我们讲个故事 听得会更有趣。
    记得 《大话数据结构》里面有说到 广度优先和深度优先算法里,作者 用找东西的例子,广度优先是 到各个地方 比如每个房价 扫一眼,如果没有 再慢慢深入到角落,深度优先 就是 因为有个大概记忆,然后 跟随 记忆 从一个房间 比如抽屉开始 寻找,没有 再去最有可能的角落 找寻,所以 广度优先是 把所有的地方快速扫一眼,没有再慢慢进入小范围 区域,深度优先 就是去指定位置 寻找。
    本篇的 Dikstra 大概可以理解:把计算好的节点放入黑箱里,有新的节点加入 只需要与 箱子 的节点连接,然后把新节点与箱子中临近的节点连接起来,计算新节点与临近节点的距离,更新最值,已有的节点间的距离不需要重复计算,总之 Dikstra算法 是没有重复的计算,所以效率会很高,总的计算量会少很多,不像深度优先算法 有大量重复的计算,广度优先算法在添加新节点 时 也会更新已有的计算。
    所以Dijstra模块化的思想很节能,它包括 1.寻找MW的最小值或者最大值;2.update更新新节点时,再计算MW的最值。

    回答老师的问题:问题一,权限值可以为正为负,例子:跑车游戏中,获胜方为规定时间内奔跑的路程最多,规则为 路线中有不同 奖励,其中有多增加时间的道路,也有减少跑车时间的路线,就是权限值 有正有负。
    问题二:多条优先路线,照样可以运用Dijkstra算法,把 多条路线 同时与接入 新节点,然后计算距离,算出MW的值。

    有个问题 请教老师:一般地图搜索场景使用Dijkstra多一点还是 动态规划多一点,还是其他算法,地图可以用 百度地图、Google地图 举例。

    老师 在专栏里 会谈到 机器学习算法 在生活和产品中的运用吗?
    作者回复

    你的建议很好,我后面会注意用更形象的方式来讲解。

    至于边的权重,至少在目前的Dijkstra算法中,权重必须是正的。因为只有正的,我们才可以不去考虑已经进入F集合的结点。这个在证明过程中也提到了为什么。

    一般地图搜索还是用Dijkstra偏多,当然也有一些优化的算法。

    最后,我在后面两大模块讲解时,也会使用工作中实际的案例,加强学习的体验。

    2019-01-23 05:35:23

  • 拉普达

    2020-03-28 11:22:59

    1.纯负数可以,否则不行。留言里那个所有权重加上最小负数绝对值的方法,没有考虑到路径中边的条数是不一样的。
    2.如果有多条代价相等的最短路径,需要第二步修改,记录mw[y]=mw[x]+w(x,y)的解
    作者回复

    我理解留言里说的是所有的边权重都加上一个值,让所有权重的数值往坐标轴右移,直到没有负数。
    第2点是可以的👍

    2020-03-31 12:54:13

  • 杨芸芸

    2023-02-02 13:39:12

    1、如果权重全为负值,可以使用Dijstra算法;如果有正有负则不可以,Dijstra算法的基础是通路的权重和是单调递增的,这样才能排除一个个节点。
    2、修改方法:求出mv中所有值最小节点,将其一起排除和更新他们的直接连接节点mv值
    作者回复

    是的,可以通过合理的方式,将负的值转化为正的值

    2023-03-03 02:28:22

  • 跳刀躲梅肯

    2020-07-02 14:57:01

    文章最后这段话,”有的时候,边的权重越大越好,比如观光车开过某条路线的车票收入。对于这种情况,Dijkstra 算法就需要调整一下,每次找到最大的 mw,更新邻近结点时也要找更大的值“,应该是有问题的,Dijkstra算法不能用于求最长路径。
    作者回复

    确实是,因为车票是单调递增的,而不是递减,如果边上的权重都是负的,那么才能求最大值。我让编辑帮忙修改

    2020-07-10 00:41:19

  • 罗耀龙@坐忘

    2020-04-07 18:30:03

    茶艺师学编程

    今天的主角,正是Dijkstra算法

    思考题1:如果边的权重是负数,还能用Dijkstra 算法吗?

    本来在计算的图是有向图,点到点是有方向的,那么负的边权重是什么意思?是向着相反方向走一段距离吗?但落地的点是不存在原来的图上的哦?到这时,算法就不能用了。

    思考题2:如果地图中存在多条最优路径,也就是说多条路径的权重和都是相等的,那么Dijkstra 算法应该如何修改呢?

    既然是相等的,那在选择候选项时限定数量。比如有10个候选的权重都是一样的,只要选其中的几个(看情况)输出为结果就好了。
  • 013923

    2022-07-28 12:12:02

    谢谢!
  • 张祈璟

    2021-06-15 09:36:12

    Dijkstra算法提出的最重要的一点:如果存在一个结点x,到它周边的所有结点中存在一个最小权值的点y,这个点x到点y的最优路径必是该路径。 不可能还存在其他x到y的最小路径,原因是其他的路径在一开始已经大于了该路径。
    作者回复

    是的

    2021-06-18 22:31:23

  • cheers !🍻

    2021-06-11 16:56:23

    思考1:负数就不能用Dijkstra算法了,而且我感觉Dijkstra算方法并不是贪心,因为贪心是只会获取当前情况的最优解,但是Dijkstra是可以求出整体最优解的,另外Dijkstra本身也是动态规划。
    思考2:如果有多跳相同权重的结果,要看是什么需求了,如果需求只要一条权重最少的解那就直接返回并阻断搜索就好了,如果想得出最优解数组,那就在放入最优解数组时做比较判断,如果是当前最优-加入数组,不过是更有解那就清楚数组放入最优解,然后遍历所有路径返回数组
  • Geek_13e8db

    2020-06-28 03:24:17

    “第三,假设结点 s 能直接到达的边集合为 M,对于其中的每一条边 m,则把 mw[m]设为 w[s, m]”
    我认为这里应该将“每一条边m”,改为“每一个对端节点m”
    作者回复

    对,这样描述更准确

    2020-06-29 12:18:40

  • 喻茂

    2020-03-17 18:09:47


    $nodesArr = [];// 节点列表
    $nodeNum = 100;
    $relation_num = 1000;
    // 生成100个用户
    for($i=0;$i<$nodeNum;$i++) {
    $nodesArr[$i] = new Node($i);
    }
    // 随机生成各边权重和相邻关系
    for($i=0;$i<$relation_num;$i++) {
    $nodeIdA = mt_rand(0,$nodeNum-1);
    $nodeIdB = mt_rand(0,$nodeNum-1);

    if ($nodeIdA == $nodeIdB) { // 相同节点没必要建立相邻关系
    continue;
    }
    $weight = mt_rand(1,1000); // 随机生成权重
    $adjacent = $nodesArr[$nodeIdA]->adjacent;
    if (!empty($adjacent[$nodeIdB])) { // a b已经建立相邻关系
    continue;
    }
    $nodesArr[$nodeIdA]->adjacent[$nodeIdB] = $weight;
    }

    getMinWeightRoute($nodesArr,10,20);
  • 喻茂

    2020-03-17 18:09:35

    // 选择权重最小的mv
    function findGeoWithMinWeight($weightAll,&$findedNodeArr){
    $nodeIdMin = -1;
    $weightMin = -1;
    foreach ($weightAll as $nodeId=>$weightAllOne) {
    if (in_array($nodeId,$findedNodeArr)) { // 当前节点已经被选择过
    continue;
    }
    if ($weightMin == -1 || $weightAllOne < $weightMin) {
    $weightMin = $weightAllOne;
    $nodeIdMin = $nodeId;
    }
    }
    $findedNodeArr[] = $nodeIdMin;// 添加到已经被选择列表
    return $nodeIdMin;

    }

    // 找出从nodeIdA到nodeIdB的权重最小路径和权重值
    function getMinWeightRoute($nodesArr,$nodeIdA,$nodeIdB) {
    if(empty($nodesArr[$nodeIdA]) || empty($nodesArr[$nodeIdB])) { // 节点a或者b不存在
    echo "节点a或者b不存在<br>";
    return;
    }

    $findedNodeArr = []; // 已经处理过的节点
    $nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$nodeIdA] = 0; // 到自己本身的权重为0
    $nodesArr[$nodeIdA]->routeArr[$nodeIdA] = "";
    // $findedNodeArr[] = $nodeIdA;
    while (true) {
    $nodeIdMin = findGeoWithMinWeight($nodesArr[$nodeIdA]->weightAll,$findedNodeArr);// 取出最小权重节点,并加入到已经取出列表
    if ($nodeIdMin == -1) { // 所有节点已经遍历完毕
    break;
    }
    $undealNodeArr = $nodesArr[$nodeIdMin]->adjacent;// 查找最小节点的相邻节点
    foreach ($undealNodeArr as $curNodeId=>$curNodeWeight) {
    // 如果到当前子节点curNodeId还没有权重,
    // 或者权重大于他到当前节点curDealnodeId权重+当前节点curDealnodeId到本相邻节点curNodeId
    // 需要更新nodeIdA到curNodeId节点的权重和路径
    if (empty($nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$curNodeId]) ||
    ($nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$curNodeId] >
    $nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$nodeIdMin] + $curNodeWeight) ) {
    $nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$curNodeId] =
    $nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$nodeIdMin] + $curNodeWeight;
    $nodesArr[$nodeIdA]->routeArr[$curNodeId] =
    $nodesArr[$nodeIdA]->routeArr[$nodeIdMin] . ','.$curNodeId;
    }
    }
    }

    // 打印出a到b之间的权重和路径
    if (!empty($nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$nodeIdB])) {
    echo "节点{$nodeIdA}和节点{$nodeIdB}最小权重为:".$nodesArr[$nodeIdA]->weightAll[$nodeIdB]."<br>";
    echo "路径为:".$nodesArr[$nodeIdA]->routeArr[$nodeIdB];

    } else {
    echo "节点{$nodeIdA}和节点{$nodeIdB}没有联通";
    }

    }
  • 喻茂

    2020-03-17 18:09:22

    php示例
    <?php
    // 用户节点相关类
    class Node {
    public $nodeId;// 节点id
    public $adjacent = []; // 相邻节点id和权重
    public $weightAll;// 与所有节点之间的权重
    public $routeArr = []; // 与所有节点之间的权重最小路径
    public function __construct($nodeId) {
    $this->nodeId = $nodeId;
    }
    }
  • 建强

    2020-01-18 23:28:27

    思考题1:
    如果边的权重是负数,运用Dijksta算法得到是任意两个点之间的最大距离,因为负数比较时,绝对值越大则其值越小,因此算法运行后,两个点之间距离的绝对值是这两个点的最大距离。

    思考题2:
    存在多条路径情况下,算法修改如下:
    (1)增加一个一维数组,path,存贮从源点到各个节点的最优路径数,path[i],即表示从源点S到节点i的最优路径数,除源节点path[s]=1外,其余各个节点的路径数都初始化为0。
    (2)每当新加入一个节点i,则path[i]的值加1。
    (3)每当新加入一个节点i,除了更新权重数组MW,还要对F集合中的节点进行检查,对于F中的某个节点k,如果有mw[i] + mw[i,k] = mw[k],则说明从源点S到节点k至少存在着两条最优权重的路径,因此path[k]也要加1

    最后path数组中即为源点到各节点的最优路径数。
    作者回复

    如果有负数是不能直接相加的

    2020-01-19 12:10:54

  • cwtxz

    2020-01-02 22:00:59

    通过对《程序员的数学基础课》为期两周左右的系统性学习。大致理解了程序员学习数学的作用。那就是从最根本的思维方式来革新自己的编程手段,让你脱离重复而机械性的code,能从更宏观的层面来处理编程问题,成为一个thinker。让你从被业务驱动到驱动业务,这是根本性的改变。说得再直白来,就是让你能更快、更有效地完成工作,更随心所欲地驾驭编程这件事儿。总之,我已经有所领悟,数学,作为工具,很强大,其指导思维,很有用,所以,加油,争取再上一层楼!!!
  • 南边

    2019-10-31 20:15:35

    有一个地方需要注意一下,应该有两个mw的映射,一个是findGeoWithMinWeight用的(这是个临时映射tempMw),用完了需要把找到的最小mw移除tempMw映射,否则findGeoWithMinWeight永远都只能找到那个固定的最小值(例子里是c点),另一个是已确定的mw映射(是结果映射resultMw),在updateWeight时候需要获取上一步的最小总权重值和更新到已确定的resultMw映射中
    作者回复

    很细致的点👍

    2019-11-01 02:14:37

  • Paul Shan

    2019-08-27 15:35:32

    总结
    广度优先:按照队列逐渐发现未知的点,遍历的顺序按照和源顶点的边数从小到大遍历。
    深度优先:按照栈逐渐发现未知的点,遍历的顺序类似于树的后序遍历,先深入腹地,逐级后退。
    最小距离遍历:按照距离的堆逐渐发现未知的点,遍历的顺序安装距离单调递增遍历所有点。