Algorytm Dijkstry pozwala nam znaleźć najkrótszą ścieżkę między dowolnymi dwoma wierzchołkami grafu.
Różni się od minimalnego drzewa rozpinającego, ponieważ najkrótsza odległość między dwoma wierzchołkami może nie obejmować wszystkich wierzchołków wykresu.
Jak działa algorytm Dijkstry
Algorytm Dijkstry działa w oparciu o to, że każda podścieżka B -> Dnajkrótszej ścieżki A -> Dmiędzy wierzchołkami A i D jest również najkrótszą ścieżką między wierzchołkami B i D.
Każda podścieżka to najkrótsza ścieżka
Djikstra użył tej właściwości w odwrotnym kierunku, tzn. Przeszacowaliśmy odległość każdego wierzchołka od wierzchołka początkowego. Następnie odwiedzamy każdy węzeł i jego sąsiadów, aby znaleźć najkrótszą ścieżkę podrzędną do tych sąsiadów.
Algorytm stosuje chciwe podejście w tym sensie, że znajdujemy następne najlepsze rozwiązanie, mając nadzieję, że wynik końcowy jest najlepszym rozwiązaniem całego problemu.
Przykład algorytmu Dijkstry
Łatwiej jest zacząć od przykładu, a następnie pomyśleć o algorytmie.
Zacznij od ważonego wykresu 
Wybierz początkowy wierzchołek i przypisz wartości ścieżki nieskończoności do wszystkich innych urządzeń 
Przejdź do każdego wierzchołka i zaktualizuj jego długość ścieżki 
Jeśli długość ścieżki sąsiedniego wierzchołka jest mniejsza niż nowa długość ścieżki, nie aktualizuj go 
Unikaj aktualizowania ścieżki długości już odwiedzonych wierzchołków 
Po każdej iteracji wybieramy nieodwiedzony wierzchołek o najmniejszej długości ścieżki. Więc wybieramy 5 przed 7 
Zwróć uwagę jak prawy wierzchołek ma dwukrotnie zaktualizowaną długość ścieżki 
Powtarzaj aż wszystkie wierzchołki zostaną odwiedzone
Pseudokod algorytmu Djikstry
Musimy zachować odległość ścieżki każdego wierzchołka. Możemy to zapisać w tablicy o rozmiarze v, gdzie v jest liczbą wierzchołków.
Chcemy również móc uzyskać najkrótszą ścieżkę, a nie tylko znać długość najkrótszej ścieżki. W tym celu mapujemy każdy wierzchołek do wierzchołka, który ostatnio zaktualizował jego długość ścieżki.
Po zakończeniu algorytmu możemy cofnąć się od wierzchołka docelowego do wierzchołka źródłowego, aby znaleźć ścieżkę.
Kolejka o minimalnym priorytecie może służyć do efektywnego odbierania wierzchołków o najmniejszej odległości ścieżki.
function dijkstra(G, S) for each vertex V in G distance(V) <- infinite previous(V) <- NULL If V != S, add V to Priority Queue Q distance(S) <- 0 while Q IS NOT EMPTY U <- Extract MIN from Q for each unvisited neighbour V of U tempDistance <- distance(U) + edge_weight(U, V) if tempDistance < distance(V) distance(V) <- tempDistance previous(V) <- U return distance(), previous()
Kod algorytmu Dijkstry
Implementację algorytmu Dijkstry w C ++ podano poniżej. Złożoność kodu można poprawić, ale abstrakcje są wygodne do powiązania kodu z algorytmem.
Python Java C C ++ # Dijkstra's Algorithm in Python import sys # Providing the graph vertices = ((0, 0, 1, 1, 0, 0, 0), (0, 0, 1, 0, 0, 1, 0), (1, 1, 0, 1, 1, 0, 0), (1, 0, 1, 0, 0, 0, 1), (0, 0, 1, 0, 0, 1, 0), (0, 1, 0, 0, 1, 0, 1), (0, 0, 0, 1, 0, 1, 0)) edges = ((0, 0, 1, 2, 0, 0, 0), (0, 0, 2, 0, 0, 3, 0), (1, 2, 0, 1, 3, 0, 0), (2, 0, 1, 0, 0, 0, 1), (0, 0, 3, 0, 0, 2, 0), (0, 3, 0, 0, 2, 0, 1), (0, 0, 0, 1, 0, 1, 0)) # Find which vertex is to be visited next def to_be_visited(): global visited_and_distance v = -10 for index in range(num_of_vertices): if visited_and_distance(index)(0) == 0 and (v < 0 or visited_and_distance(index)(1) <= visited_and_distance(v)(1)): v = index return v num_of_vertices = len(vertices(0)) visited_and_distance = ((0, 0)) for i in range(num_of_vertices-1): visited_and_distance.append((0, sys.maxsize)) for vertex in range(num_of_vertices): # Find next vertex to be visited to_visit = to_be_visited() for neighbor_index in range(num_of_vertices): # Updating new distances if vertices(to_visit)(neighbor_index) == 1 and visited_and_distance(neighbor_index)(0) == 0: new_distance = visited_and_distance(to_visit)(1) + edges(to_visit)(neighbor_index) if visited_and_distance(neighbor_index)(1)> new_distance: visited_and_distance(neighbor_index)(1) = new_distance visited_and_distance(to_visit)(0) = 1 i = 0 # Printing the distance for distance in visited_and_distance: print("Distance of ", chr(ord('a') + i), " from source vertex: ", distance(1)) i = i + 1
// Dijkstra's Algorithm in Java public class Dijkstra ( public static void dijkstra(int()() graph, int source) ( int count = graph.length; boolean() visitedVertex = new boolean(count); int() distance = new int(count); for (int i = 0; i < count; i++) ( visitedVertex(i) = false; distance(i) = Integer.MAX_VALUE; ) // Distance of self loop is zero distance(source) = 0; for (int i = 0; i < count; i++) ( // Update the distance between neighbouring vertex and source vertex int u = findMinDistance(distance, visitedVertex); visitedVertex(u) = true; // Update all the neighbouring vertex distances for (int v = 0; v < count; v++) ( if (!visitedVertex(v) && graph(u)(v) != 0 && (distance(u) + graph(u)(v) < distance(v))) ( distance(v) = distance(u) + graph(u)(v); ) ) ) for (int i = 0; i < distance.length; i++) ( System.out.println(String.format("Distance from %s to %s is %s", source, i, distance(i))); ) ) // Finding the minimum distance private static int findMinDistance(int() distance, boolean() visitedVertex) ( int minDistance = Integer.MAX_VALUE; int minDistanceVertex = -1; for (int i = 0; i < distance.length; i++) ( if (!visitedVertex(i) && distance(i) < minDistance) ( minDistance = distance(i); minDistanceVertex = i; ) ) return minDistanceVertex; ) public static void main(String() args) ( int graph()() = new int()() ( ( 0, 0, 1, 2, 0, 0, 0 ), ( 0, 0, 2, 0, 0, 3, 0 ), ( 1, 2, 0, 1, 3, 0, 0 ), ( 2, 0, 1, 0, 0, 0, 1 ), ( 0, 0, 3, 0, 0, 2, 0 ), ( 0, 3, 0, 0, 2, 0, 1 ), ( 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0 ) ); Dijkstra T = new Dijkstra(); T.dijkstra(graph, 0); ) )
// Dijkstra's Algorithm in C #include #define INFINITY 9999 #define MAX 10 void Dijkstra(int Graph(MAX)(MAX), int n, int start); void Dijkstra(int Graph(MAX)(MAX), int n, int start) ( int cost(MAX)(MAX), distance(MAX), pred(MAX); int visited(MAX), count, mindistance, nextnode, i, j; // Creating cost matrix for (i = 0; i < n; i++) for (j = 0; j < n; j++) if (Graph(i)(j) == 0) cost(i)(j) = INFINITY; else cost(i)(j) = Graph(i)(j); for (i = 0; i < n; i++) ( distance(i) = cost(start)(i); pred(i) = start; visited(i) = 0; ) distance(start) = 0; visited(start) = 1; count = 1; while (count < n - 1) ( mindistance = INFINITY; for (i = 0; i < n; i++) if (distance(i) < mindistance && !visited(i)) ( mindistance = distance(i); nextnode = i; ) visited(nextnode) = 1; for (i = 0; i < n; i++) if (!visited(i)) if (mindistance + cost(nextnode)(i) < distance(i)) ( distance(i) = mindistance + cost(nextnode)(i); pred(i) = nextnode; ) count++; ) // Printing the distance for (i = 0; i < n; i++) if (i != start) ( printf("Distance from source to %d: %d", i, distance(i)); ) ) int main() ( int Graph(MAX)(MAX), i, j, n, u; n = 7; Graph(0)(0) = 0; Graph(0)(1) = 0; Graph(0)(2) = 1; Graph(0)(3) = 2; Graph(0)(4) = 0; Graph(0)(5) = 0; Graph(0)(6) = 0; Graph(1)(0) = 0; Graph(1)(1) = 0; Graph(1)(2) = 2; Graph(1)(3) = 0; Graph(1)(4) = 0; Graph(1)(5) = 3; Graph(1)(6) = 0; Graph(2)(0) = 1; Graph(2)(1) = 2; Graph(2)(2) = 0; Graph(2)(3) = 1; Graph(2)(4) = 3; Graph(2)(5) = 0; Graph(2)(6) = 0; Graph(3)(0) = 2; Graph(3)(1) = 0; Graph(3)(2) = 1; Graph(3)(3) = 0; Graph(3)(4) = 0; Graph(3)(5) = 0; Graph(3)(6) = 1; Graph(4)(0) = 0; Graph(4)(1) = 0; Graph(4)(2) = 3; Graph(4)(3) = 0; Graph(4)(4) = 0; Graph(4)(5) = 2; Graph(4)(6) = 0; Graph(5)(0) = 0; Graph(5)(1) = 3; Graph(5)(2) = 0; Graph(5)(3) = 0; Graph(5)(4) = 2; Graph(5)(5) = 0; Graph(5)(6) = 1; Graph(6)(0) = 0; Graph(6)(1) = 0; Graph(6)(2) = 0; Graph(6)(3) = 1; Graph(6)(4) = 0; Graph(6)(5) = 1; Graph(6)(6) = 0; u = 0; Dijkstra(Graph, n, u); return 0; )
// Dijkstra's Algorithm in C++ #include #include #define INT_MAX 10000000 using namespace std; void DijkstrasTest(); int main() ( DijkstrasTest(); return 0; ) class Node; class Edge; void Dijkstras(); vector* AdjacentRemainingNodes(Node* node); Node* ExtractSmallest(vector& nodes); int Distance(Node* node1, Node* node2); bool Contains(vector& nodes, Node* node); void PrintShortestRouteTo(Node* destination); vector nodes; vector edges; class Node ( public: Node(char id) : id(id), previous(NULL), distanceFromStart(INT_MAX) ( nodes.push_back(this); ) public: char id; Node* previous; int distanceFromStart; ); class Edge ( public: Edge(Node* node1, Node* node2, int distance) : node1(node1), node2(node2), distance(distance) ( edges.push_back(this); ) bool Connects(Node* node1, Node* node2) ( return ( (node1 == this->node1 && node2 == this->node2) || (node1 == this->node2 && node2 == this->node1)); ) public: Node* node1; Node* node2; int distance; ); /////////////////// void DijkstrasTest() ( Node* a = new Node('a'); Node* b = new Node('b'); Node* c = new Node('c'); Node* d = new Node('d'); Node* e = new Node('e'); Node* f = new Node('f'); Node* g = new Node('g'); Edge* e1 = new Edge(a, c, 1); Edge* e2 = new Edge(a, d, 2); Edge* e3 = new Edge(b, c, 2); Edge* e4 = new Edge(c, d, 1); Edge* e5 = new Edge(b, f, 3); Edge* e6 = new Edge(c, e, 3); Edge* e7 = new Edge(e, f, 2); Edge* e8 = new Edge(d, g, 1); Edge* e9 = new Edge(g, f, 1); a->distanceFromStart = 0; // set start node Dijkstras(); PrintShortestRouteTo(f); ) /////////////////// void Dijkstras() ( while (nodes.size()> 0) ( Node* smallest = ExtractSmallest(nodes); vector* adjacentNodes = AdjacentRemainingNodes(smallest); const int size = adjacentNodes->size(); for (int i = 0; i at(i); int distance = Distance(smallest, adjacent) + smallest->distanceFromStart; if (distance distanceFromStart) ( adjacent->distanceFromStart = distance; adjacent->previous = smallest; ) ) delete adjacentNodes; ) ) // Find the node with the smallest distance, // remove it, and return it. Node* ExtractSmallest(vector& nodes) ( int size = nodes.size(); if (size == 0) return NULL; int smallestPosition = 0; Node* smallest = nodes.at(0); for (int i = 1; i distanceFromStart distanceFromStart) ( smallest = current; smallestPosition = i; ) ) nodes.erase(nodes.begin() + smallestPosition); return smallest; ) // Return all nodes adjacent to 'node' which are still // in the 'nodes' collection. vector* AdjacentRemainingNodes(Node* node) ( vector* adjacentNodes = new vector(); const int size = edges.size(); for (int i = 0; i node1 == node) ( adjacent = edge->node2; ) else if (edge->node2 == node) ( adjacent = edge->node1; ) if (adjacent && Contains(nodes, adjacent)) ( adjacentNodes->push_back(adjacent); ) ) return adjacentNodes; ) // Return distance between two connected nodes int Distance(Node* node1, Node* node2) ( const int size = edges.size(); for (int i = 0; i Connects(node1, node2)) ( return edge->distance; ) ) return -1; // should never happen ) // Does the 'nodes' vector contain 'node' bool Contains(vector& nodes, Node* node) ( const int size = nodes.size(); for (int i = 0; i < size; ++i) ( if (node == nodes.at(i)) ( return true; ) ) return false; ) /////////////////// void PrintShortestRouteTo(Node* destination) ( Node* previous = destination; cout << "Distance from start: " id
node2 == node) ( cout << "adjacent: " id
Dijkstra's Algorithm Complexity
Time Complexity: O(E Log V)
where, E is the number of edges and V is the number of vertices.
Space Complexity: O(V)
Dijkstra's Algorithm Applications
- To find the shortest path
- In social networking applications
- In a telephone network
- To find the locations in the map
