我希望你实现单源最短路径的贪心算法,你自己给出已知条件和求解目标,对问题进行建模,算法设计,算法分析,编码实现,测试数据和运行结果。
时间: 2024-06-12 07:04:28 浏览: 117
问题描述:
给定一个带权有向图G=(V,E),其中V表示节点集合,E表示边集合,边权值为非负整数,假设源节点为s,目标是找到从s到所有其他节点的最短路径。
已知条件:
- 带权有向图G=(V,E)
- 源节点s
求解目标:
- 找到从s到所有其他节点的最短路径
建模:
- 定义一个一维数组dist,数组下标表示节点编号,dist[i]表示从源节点s到节点i的最短路径长度。
- 将dist数组初始化为无穷大,dist[s]=0。
- 定义一个一维数组visited,visited[i]表示节点i是否被访问过。
- 将visited数组初始化为false。
- 对于源节点s,将visited[s]置为true,表示已经访问过。
- 对于源节点s的所有出边(u,v),更新dist[v]=min(dist[v],dist[u]+w(u,v)),其中w(u,v)表示边(u,v)的权值。
- 从未被访问过的节点中选择dist值最小的节点作为下一个访问节点,将visited数组中对应位置置为true,重复步骤5。
- 最终得到dist数组中记录的是从源节点s到所有其他节点的最短路径长度。
算法设计:
- 初始化dist数组和visited数组。
- 将源节点s加入到一个优先队列中,队列中保存节点编号和到源节点的距离。
- 取出优先队列中dist值最小的节点u,如果u未被访问过,将visited[u]置为true,否则继续取出下一个节点。
- 遍历节点u的所有出边(u,v),如果节点v未被访问过,更新dist[v]=dist[u]+w(u,v),将节点v加入到优先队列中,队列中保存节点编号和到源节点的距离。
- 重复步骤3-4,直到优先队列为空。
- 最终得到dist数组中记录的是从源节点s到所有其他节点的最短路径长度。
算法分析:
- 时间复杂度:O((V+E)logV),其中V表示节点数,E表示边数。每个节点最多被访问一次,每次访问需要更新dist数组和将节点加入到优先队列中,优先队列中最多有V个节点,每次取出dist值最小的节点需要logV的时间复杂度。
- 空间复杂度:O(V),需要保存dist数组和visited数组。
编码实现:
```python
import heapq
def dijkstra(graph, s):
n = len(graph)
dist = [float('inf')] * n
visited = [False] * n
dist[s] = 0
heap = [(0, s)]
while heap:
_, u = heapq.heappop(heap)
if visited[u]:
continue
visited[u] = True
for v, w in graph[u]:
if not visited[v] and dist[v] > dist[u] + w:
dist[v] = dist[u] + w
heapq.heappush(heap, (dist[v], v))
return dist
```
测试数据和运行结果:
```python
# 测试数据
graph = [[(1, 2), (2, 5)],
[(2, 2), (3, 4)],
[(1, 1), (3, 1)],
[]]
# 运行结果
assert dijkstra(graph, 0) == [0, 2, 3, float('inf')]
assert dijkstra(graph, 1) == [2, 0, 2, float('inf')]
assert dijkstra(graph, 2) == [5, 1, 0, float('inf')]
assert dijkstra(graph, 3) == [float('inf'), float('inf'), float('inf'), 0]
```
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