一尘不染

Dijkstra算法的复杂度

algorithm

我从许多资料中获悉,如果使用幼稚的方法来获取min元素(线性搜索),Dijkstra的最短路径也将以O(V ^
2)复杂度运行。但是,如果使用优先级队列,则可以将其优化为O(VLogV),因为此数据结构将在O(1)时间返回min元素,但是在删除min元素之后需要O(LogV)时间来恢复堆属性。

我已经在以下链接中针对UVA问题的以下代码中实现了Dijkstra的算法:https
:
//uva.onlinejudge.org/index.php?option=com_onlinejudge&Itemid=8&category=16&page=show_problem&problem
=1927

#include<iostream>
#include<vector>
#include <climits>
#include <cmath>
#include <set>

using namespace std;

#define rep(a,b,c) for(int c=a;c<b;c++)

typedef std::vector<int> VI;
typedef std::vector<VI> VVI;

struct cmp {
    bool operator()(const pair<int,int> &a,const pair<int,int> &b) const {
        return a.second < b.second;
    }
};

void sp(VVI &graph,set<pair<int,int>,cmp> &minv,VI &ans,int S,int T) {
    int e = -1;
    minv.insert(pair<int,int>(S,0));
    rep(0,graph.size() && !minv.empty() && minv.begin()->first != T,s) {
        e = minv.begin()->first;
        minv.erase(minv.begin());
        int nb = 0;
        rep(0,graph[e].size(),d) {
            nb = d;
            if(graph[e][d] != INT_MAX && ans[e] + graph[e][d] < ans[d]) {
                set<pair<int,int>,cmp>::iterator si = minv.find(pair<int,int>(d,ans[d]));
                if(si != minv.end())
                    minv.erase(*si);
                ans[d] = ans[e] + graph[e][d];
                minv.insert(pair<int,int>(d,ans[d]));
            }
        }
    }
}

int main(void) {
    int cc = 0,N = 0,M = 0,S = -1,T = -1,A=-1,B=-1,W=-1;
    VVI graph;
    VI ans;
    set<pair<int,int>,cmp> minv;
    cin >> cc;

    rep(0,cc,i) {
        cin >> N >> M >> S >> T;
        graph.clear();
        ans.clear();
        graph.assign(N,VI());
        ans.assign(graph.size(),INT_MAX);
        minv.clear();
        rep(0,N,j) {
            graph[j].assign(N,INT_MAX);
        }
        ans[S] = 0;
        graph[S][S] = 0;
        rep(0,M,j) {
            cin >> A >> B >> W;
            graph[A][B] = min(W,graph[A][B]);
            graph[B][A] = min(W,graph[B][A]);
        }
        sp(graph,minv,ans,S,T);
        cout << "Case #" << i + 1 << ": ";
        if(ans[T] != INT_MAX)
            cout << ans[T] << endl;
        else
            cout << "unreachable" << endl;
    }
}

根据我的分析,我的算法具有O(VLogV)复杂度。STL std ::
set被实现为二进制搜索树。此外,该集合也被排序。因此,从中获取的最小元素为O(1),插入和删除的每个元素均为O(LogV)。但是,我仍然可以从这个问题中获得一个TLE,根据给定的时间限制,该问题应该可以在O(VLogV)中解决。

这使我思考得更深。如果所有节点都互连在一起,以使每个顶点V具有V-1邻居,该怎么办?因为每个顶点必须每个回合都查看V-1,V-2,V-3
…节点,这会使Dijkstra的算法在O(V ^ 2)中运行吗?

再三考虑,我可能会误解最坏情况下的复杂性。有人可以在以下问题上给我建议:

  1. 鉴于上述反例,Dijkstra的算法O(VLogV)的表现如何?
  2. 如何优化我的代码,使其达到O(VLogV)复杂度(或更高)?

编辑:

我意识到我的程序毕竟不能在O(ElogV)中运行。瓶颈是由我在O(V ^ 2)中运行的输入处理引起的。dijkstra部分确实在(ElogV)中运行。


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2020-07-28

共1个答案

一尘不染

为了了解Dijkstra算法的时间复杂度,我们需要研究对用于实现Frontier集的数据结构(即minv算法中使用的数据结构)执行的操作:

  • 更新资料
  • 查找/删除最小值

O(|V|)插入,O(|E|)更新,O(|V|)对算法的整个过程中的数据结构发生查找/删除最低金额的总额。

  • 最初,Dijkstra使用未排序的数组实现了Frontier集。因此,它O(1)用于“插入和更新”,但是O(|V|)对于“查找/删除”最小值,导致O(|E| + |V|^2),但由于|E| < |V|^2,所以具有O(|V|^2)

  • 如果使用二进制min-heap来实现Frontier集,则log(|v|)所有操作都必须具有,结果为O(|E|log|V| + |V|log|V|),但是由于合理假设|E| > |V|,您具有O(|E|log|V|)

  • 然后是Fibonacci堆,您已将O(1)“插入/更新/查找”的最小O(log|V|)时间摊销了,但将“删除”的最小时间摊销了,这为您提供O(|E| + |V|log|V|)了Dijkstra算法的当前最著名的时间范围。

最后,O(|V|log|V|)如果(|V|log|V| < |E|),则不可能在最坏的情况下解决单源最短路径问题的算法,因为问题具有较低的下限时间,O(|E| + |V|)即您需要检查每个顶点和边至少一次以解决问题。

2020-07-28