อัลกอริทึมของ Bellman–Ford สำหรับเส้นทางที่สั้นที่สุด

อัลกอริธึม Bellman-Ford ใช้เพื่อค้นหาระยะทางต่ำสุดจากจุดยอดต้นทางไปยังจุดยอดอื่นๆ ความแตกต่างหลักระหว่างอัลกอริทึมนี้กับอัลกอริทึมของ Dijkstra คือ ในอัลกอริทึมของ Dijkstra เราไม่สามารถจัดการน้ำหนักเชิงลบได้ แต่ในที่นี้ เราสามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย

อัลกอริธึม Bellman-Ford ค้นหาระยะทางในลักษณะจากล่างขึ้นบน ในตอนแรกจะพบระยะทางที่มีขอบด้านเดียวในเส้นทาง หลังจากนั้นให้เพิ่มความยาวเส้นทางเพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ทั้งหมด

อินพุตและเอาต์พุต

Input:
The cost matrix of the graph:
0  6  ∞ 7  ∞
∞  0  5 8 -4
∞ -2  0 ∞  ∞
∞  ∞ -3 0  9
2  ∞  7 ∞  0

Output:
Source Vertex: 2
Vert:   0   1   2   3   4
Dist:  -4  -2   0   3  -6
Pred:   4   2  -1   0   1
The graph has no negative edge cycle

อัลกอริทึม

bellmanFord(dist, pred, source)

ป้อนข้อมูล - รายการระยะทาง รายการก่อนหน้า และจุดยอดต้นทาง
ผลลัพธ์ − จริง เมื่อพบวัฏจักรลบ

Begin
   iCount := 1
   maxEdge := n * (n - 1) / 2     //n is number of vertices

   for all vertices v of the graph, do
      dist[v] := ∞
      pred[v] := ϕ
   done

   dist[source] := 0
   eCount := number of edges present in the graph
   create edge list named edgeList

   while iCount < n, do
      for i := 0 to eCount, do
         if dist[edgeList[i].v] > dist[edgeList[i].u] + (cost[u,v] for edge i) dist[edgeList[i].v] > dist[edgeList[i].u] + (cost[u,v] for edge i) pred[edgeList[i].v] := edgeList[i].u
      done
   done

   iCount := iCount + 1
   for all vertices i in the graph, do
      if dist[edgeList[i].v] > dist[edgeList[i].u] + (cost[u,v] for edge i),
         then return true
   done

   return false
End

ตัวอย่าง

#include<iostream>
#include<iomanip>
#define V 5
#define INF 999
using namespace std;
//Cost matrix of the graph (directed) vertex 5

int costMat[V][V] = {
   {0, 6, INF, 7, INF},
   {INF, 0, 5, 8, -4},
   {INF, -2, 0, INF, INF},
   {INF, INF, -3, 0, 9},
   {2, INF, 7, INF, 0}
};

typedef struct {
   int u, v, cost;
}edge;

int isDiagraph() {

   //check the graph is directed graph or not

   int i, j;
   for(i = 0; i<V; i++) {
      for(j = 0; j<V; j++) {
         if(costMat[i][j] != costMat[j][i]) {
            return 1;      //graph is directed
         }
      }
   }
   return 0;//graph is undirected
}

int makeEdgeList(edge *eList) {
   //create edgelist from the edges of graph
   int count = -1;
   if(isDiagraph()) {
      for(int i = 0; i<V; i++) {
         for(int j = 0; j<V; j++) {
            if(costMat[i][j] != 0 && costMat[i][j] != INF) {
               count++;         //edge find when graph is directed
               eList[count].u = i; eList[count].v = j;
               eList[count].cost = costMat[i][j];
            }
         }
      }
   }else {
      for(int i = 0; i<V; i++) {
         for(int j = 0; j<i; j++) {
            if(costMat[i][j] != INF) {
               count++;         //edge find when graph is undirected
               eList[count].u = i; eList[count].v = j;
               eList[count].cost = costMat[i][j];
            }
         }
      }
   }
   return count+1;
}

int bellmanFord(int *dist, int *pred,int src) {
   int icount = 1, ecount, max = V*(V-1)/2;
   edge edgeList[max];

   for(int i = 0; i<V; i++) {
      dist[i] = INF;      //initialize with infinity
      pred[i] = -1;      //no predecessor found.
   }

   dist[src] = 0;//for starting vertex, distance is 0

   ecount = makeEdgeList(edgeList);       //edgeList formation

   while(icount < V) {       //number of iteration is (Vertex - 1)
      for(int i = 0; i<ecount; i++) {
         if(dist[edgeList[i].v] > dist[edgeList[i].u] + costMat[edgeList[i].u][edgeList[i].v]) {      //relax edge and set predecessor
            dist[edgeList[i].v] = dist[edgeList[i].u] + costMat[edgeList[i].u][edgeList[i].v];
            pred[edgeList[i].v] = edgeList[i].u;
         }
      }
      icount++;
   }

   //test for negative cycle
   for(int i = 0; i<ecount; i++) {
      if(dist[edgeList[i].v] > dist[edgeList[i].u] + costMat[edgeList[i].u][edgeList[i].v]) {
         return 1;    //indicates the graph has negative cycle
      }
   }

   return 0;     //no negative cycle
}

void display(int *dist, int *pred) {
   cout << "Vert: ";
   for(int i = 0; i<V; i++)
      cout <<setw(3) << i << " ";
   cout << endl;
   cout << "Dist: ";

   for(int i = 0; i<V; i++)
      cout << setw(3) << dist[i] << " ";
   cout << endl;
   cout << "Pred: ";

   for(int i = 0; i<V; i++)
      cout << setw(3) << pred[i] << " ";
   cout << endl;
}

int main() {
   int dist[V], pred[V], source, report;
   source = 2;
   report = bellmanFord(dist, pred, source);
   cout << "Source Vertex: " << source<<endl;
   display(dist, pred);

   if(report)
      cout << "The graph has a negative edge cycle" << endl;
   else
      cout << "The graph has no negative edge cycle" << endl;
}

ผลลัพธ์

Source Vertex: 2
Vert:   0   1   2   3   4
Dist:  -4  -2   0   3  -6
Pred:   4   2  -1   0   1
The graph has no negative edge cycle