Dijkstra 算法可以在权重为 0 的图上工作吗?

Can Dijkstra's Algorithm work on a graph with weights of 0?

如果存在加权图 G,并且所有权重都是0,Dijkstra算法是否还是找最短路径?如果是,为什么?

根据我对算法的理解,如果没有边权重,Dijsktra 的算法将 运行 像正常的 BFS 一样,但我希望得到一些说明。

说明

Dijkstra 本身对 0 权重没有问题,根据算法的定义。它只会在 negative 权重时出现问题。

因为在每一轮中 Dijkstra 都会解决一个节点。如果您稍后发现负加权边,这可能会导致 更短的路径 到该已解决的节点。然后节点需要未解决,Dijkstras 算法不允许(这会破坏算法的复杂性)。如果你看一下实际的算法和一些插图,就会清楚。

Dijkstra 在这样一个 全零 图上的行为与所有边都具有不同但相同的值相同,例如 1 (除了由此产生的最短路径长度)。 Dijkstra 将简单地访问所有节点,没有特定的顺序。基本上,就像一个普通的 Breadth-first 搜索.


详情

看看算法描述来自Wikipedia:

 1 function Dijkstra(Graph, source):
 2
 3     create vertex set Q
 4
 5     for each vertex v in Graph:           // Initialization
 6         dist[v] ← INFINITY                // Unknown distance from source to v
 7         prev[v] ← UNDEFINED               // Previous node in optimal path from source
 8         add v to Q                        // All nodes initially in Q (unvisited nodes)
 9
10     dist[source] ← 0                      // Distance from source to source
11      
12     while Q is not empty:
13         u ← vertex in Q with min dist[u]  // Node with the least distance
14                                           // will be selected first
15         remove u from Q 
16          
17         for each neighbor v of u:         // where v is still in Q.
18             alt ← dist[u] + length(u, v)
19             if alt < dist[v]:             // A shorter path to v has been found
20                 dist[v] ← alt 
21                 prev[v] ← u 
22
23     return dist[], prev[]

负值的问题在于第 1517 行。当您删除节点 u 时,您 解决 它。也就是说,你说到这个节点的最短路径现在是已知的。但这意味着您不会再将 17 行中的 u 视为某个其他节点的邻居(因为它不再包含在 Q 中)。

对于负值,您稍后可能会发现到该节点的较短路径(由于负权重)。您需要在算法中再次考虑 u 和 re-do 所有依赖于先前到 u 的最短路径的计算。因此,您需要添加 u 以及从 Q 中删除的所有其他节点,这些节点在其最短路径上具有 u 返回 Q.

特别是,您需要考虑 所有可能通向目的地的边,因为您永远不知道某些讨厌的 -1_000_000 加权边隐藏在哪里。

下面的例子说明了这个问题:

Dijkstra 将声明红色路径为从 AC 的最短路径,长度为 0。但是,还有一条更短的路径。它被标记为蓝色,长度为 99 - 300 + 1 = -200.

使用负权重,您甚至可以创建更危险的场景,负循环。这是图中总权重为负的循环。然后你需要一种方法来停止一直沿着循环移动,无休止地降低你当前的体重。


备注

在无向图中,权重为 0 的边可以 消除 并且节点可以 合并 。它们之间的最短路径的长度始终为 0。如果整张图只有0个权重,那么只需要将图合并到一个节点即可。每个最短路径查询的结果只是 0.

如果在两个方向上都有这样的边,那么对于有向图也是如此。如果不是,则无法像更改 reach-ability 节点那样进行优化。