Алгоритм Дейкстри дозволяє нам знайти найкоротший шлях між будь-якими двома вершинами графа.
Він відрізняється від мінімального охоплюючого дерева, оскільки найкоротша відстань між двома вершинами може включати не всі вершини графіка.
Як працює Алгоритм Дейкстри
Алгоритм Дейкстри працює на підставі того, що будь-який підпуть B -> Dнайкоротшого шляху A -> Dміж вершинами A і D є також найкоротшим шляхом між вершинами B і D.
Кожен підпуть - це найкоротший шлях
Джикстра використав цю властивість у зворотному напрямку, тобто ми завищуємо відстань кожної вершини від початкової. Потім ми відвідуємо кожен вузол та його сусідів, щоб знайти найкоротший шлях до цих сусідів.
Алгоритм використовує жадібний підхід у тому сенсі, що ми знаходимо наступне найкраще рішення, сподіваючись, що кінцевий результат є найкращим рішенням для всієї проблеми.
Приклад алгоритму Дейкстри
Почати простіше з прикладу, а потім продумати алгоритм.
Почніть з зваженого графіка 
Виберіть початкову вершину та призначте значення нескінченності шляху всім іншим пристроям 
Перейдіть до кожної вершини та оновіть її довжину шляху 
Якщо довжина шляху сусідньої вершини менша за довжину нового шляху, не оновлюйте її 
Уникайте оновлення шляху довжини вже відвіданих вершин 
Після кожної ітерації ми вибираємо невідвідану вершину з найменшою довжиною шляху. Отже, ми вибираємо 5 перед 7. 
Зверніть увагу, як довжина шляху в самій правій вершині оновлюється двічі. 
Повторюйте, поки всі вершини не будуть відвідані
Псевдокод алгоритму Джикстри
Нам потрібно підтримувати відстань шляху до кожної вершини. Ми можемо зберегти це в масиві розміром v, де v - кількість вершин.
Ми також хочемо мати найкоротший шлях, а не тільки знати довжину найкоротшого шляху. Для цього ми зіставляємо кожну вершину з вершиною, яка востаннє оновила довжину шляху.
Після того, як алгоритм закінчиться, ми можемо повернутися до вершини призначення до вершини джерела, щоб знайти шлях.
Черга з мінімальним пріоритетом може бути використана для ефективного отримання вершини з найменшою відстанню шляху.
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()
Код алгоритму Дейкстри
Реалізація алгоритму Дейкстри в C ++ наведена нижче. Складність коду можна покращити, але абстракції зручно пов'язувати код з алгоритмом.
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
