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[其它教程] 贝尔曼福特算法,分别用C语言,C++,java,python编写出来

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发表于 2024-2-27 12:21:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

贝尔曼福特算法是求解单元最短路径问题的一种算法,由理查德贝尔曼和莱斯特福特创立的。有时候这种算法也被称为Moore-Bellman-ford算法,因为Edward F . Moore也为这个算法的发展做出了贡献。



它的原理是对图进行|V|-1次松弛操作,得到所有可能的最短路径。其优于迪克斯彻算法的方面是边的权值可以为负数、实现简单,缺点是时间复杂度过高,高达O(|V||E|)。但算法可以进行若干种优化,提高了效率。


贝尔曼福特算法,分别用C语言,C++,java,python编写出来
下面是贝尔曼福特算法(Bellman-Ford Algorithm)的不同语言实现示例:
1. C语言:

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <limits.h>
  4. struct Edge {
  5.     int src, dest, weight;
  6. };
  7. struct Graph {
  8.     int V, E;
  9.     struct Edge* edge;
  10. };
  11. struct Graph* createGraph(int V, int E) {
  12.     struct Graph* graph = (struct Graph*)malloc(sizeof(struct Graph));
  13.     graph->V = V;
  14.     graph->E = E;
  15.     graph->edge = (struct Edge*)malloc(E * sizeof(struct Edge));
  16.     return graph;
  17. }
  18. void BellmanFord(struct Graph* graph, int src) {
  19.     int V = graph->V;
  20.     int E = graph->E;
  21.     int dist[V];
  22.      for (int i = 0; i < V; i++)
  23.         dist[i] = INT_MAX;
  24.     dist[src] = 0;
  25.      for (int i = 1; i <= V - 1; i++) {
  26.         for (int j = 0; j < E; j++) {
  27.             int u = graph->edge[j].src;
  28.             int v = graph->edge[j].dest;
  29.             int weight = graph->edge[j].weight;
  30.             if (dist[u] != INT_MAX && dist[u] + weight < dist[v])
  31.                 dist[v] = dist[u] + weight;
  32.         }
  33.     }
  34.      for (int i = 0; i < E; i++) {
  35.         int u = graph->edge[i].src;
  36.         int v = graph->edge[i].dest;
  37.         int weight = graph->edge[i].weight;
  38.         if (dist[u] != INT_MAX && dist[u] + weight < dist[v]) {
  39.             printf("Graph contains negative weight cycle\n");
  40.             return;
  41.         }
  42.     }
  43.      printf("Vertex\tDistance from Source\n");
  44.     for (int i = 0; i < V; i++)
  45.         printf("%d\t%d\n", i, dist[i]);
  46. }

复制代码
int main() {
    int V = 5;  // Number of vertices
    int E = 8;  // Number of edges
    struct Graph* graph = createGraph(V, E);
     // Add edges
    graph->edge[0].src = 0;
    graph->edge[0].dest = 1;
    graph->edge[0].weight = -1;
     // Add other edges...
     int src = 0;  // Source vertex
    BellmanFord(graph, src);
     return 0;
}



2. C++:

  1. #include <iostream>
  2. #include <climits>
  3. #include <vector>
  4. struct Edge {
  5.     int src, dest, weight;
  6. };
  7. struct Graph {
  8.     int V, E;
  9.     std::vector<Edge> edges;
  10. };
  11. void BellmanFord(Graph graph, int src) {
  12.     int V = graph.V;
  13.     int E = graph.E;
  14.     std::vector<int> dist(V, INT_MAX);
  15.     dist[src] = 0;
  16.      for (int i = 1; i <= V - 1; i++) {
  17.         for (int j = 0; j < E; j++) {
  18.             int u = graph.edges[j].src;
  19.             int v = graph.edges[j].dest;
  20.             int weight = graph.edges[j].weight;
  21.             if (dist[u] != INT_MAX && dist[u] + weight < dist[v])
  22.                 dist[v] = dist[u] + weight;
  23.         }
  24.     }
  25.      for (int i = 0; i < E; i++) {
  26.         int u = graph.edges[i].src;
  27.         int v = graph.edges[i].dest;
  28.         int weight = graph.edges[i].weight;
  29.         if (dist[u] != INT_MAX && dist[u] + weight < dist[v]) {
  30.             std::cout << "Graph contains negative weight cycle\n";
  31.             return;
  32.         }
  33.     }
  34.      std::cout << "Vertex\tDistance from Source\n";
  35.     for (int i = 0; i < V; i++)
  36.         std::cout << i << "\t" << dist[i] << "\n";
  37. }

复制代码
int main() {
    int V = 5;  // Number of vertices
    int E = 8;  // Number of edges
    Graph graph;
    graph.V = V;
    graph.E = E;
     // Add edges
    graph.edges.push_back({0, 1, -1});
     // Add other edges...
     int src = 0;  // Source vertex
    BellmanFord(graph, src);
     return 0;
}



3. Java:

  1. import java.util.Arrays;
  2. class Edge {
  3.     int src, dest, weight;
  4.      Edge() {
  5.         src = dest = weight = 0;
  6.     }
  7. }
  8. class Graph {
  9.     int V, E;
  10.     Edge[] edges;
  11.      Graph(int V, int E) {
  12.         this.V = V;
  13.         this.E = E;
  14.         edges = new Edge[E];
  15.         for (int i = 0; i < E; i++)
  16.             edges[i] = new Edge();
  17.     }
  18. }
  19. class BellmanFord {
  20.     void BellmanFord(Graph graph, int src) {
  21.         int V = graph.V, E = graph.E;
  22.         int[] dist = new int[V];
  23.         Arrays.fill(dist, Integer.MAX_VALUE);
  24.         dist[src] = 0;
  25.          for (int i = 1; i < V; ++i) {
  26.             for (int j = 0; j < E; ++j) {
  27.                 int u = graph.edges[j].src;
  28.                 int v = graph.edges[j].dest;
  29.                 int weight = graph.edges[j].weight;
  30.                 if (dist[u] != Integer.MAX_VALUE && dist[u] + weight < dist[v])
  31.                     dist[v] = dist[u] + weight;
  32.             }
  33.         }
  34.          for (int j = 0; j < E; ++j) {
  35.             int u = graph.edges[j].src;
  36.             int v = graph.edges[j].dest;
  37.             int weight = graph.edges[j].weight;
  38.             if (dist[u] != Integer.MAX_VALUE && dist[u] + weight < dist[v]) {
  39.                 System.out.println("Graph contains negative weight cycle");
  40.                 return;
  41.             }
  42.         }
  43.          System.out.println("Vertex\tDistance from Source");
  44.         for (int i = 0; i < V; ++i)
  45.             System.out.println(i + "\t" + dist[i]);
  46.     }
  47.    
  48. }
复制代码
public static void main(String[] args) {
        int V = 5;  // Number of vertices
        int E = 8;  // Number of edges
        Graph graph = new Graph(V, E);
         // Add edges
        graph.edges[0].src = 0;
        graph.edges[0].dest = 1;
        graph.edges[0].weight = -1;
         // Add other edges...
         int src = 0;  // Source vertex
        BellmanFord bellmanFord = new BellmanFord();
        bellmanFord.BellmanFord(graph, src);
    }



4. Python:

  1. class Edge:
  2.     def __init__(self, src, dest, weight):
  3.         self.src = src
  4.         self.dest = dest
  5.         self.weight = weight
  6. class Graph:
  7.     def __init__(self, V, E):
  8.         self.V = V
  9.         self.E = E
  10.         self.edges = []
  11. def BellmanFord(graph, src):
  12.     V = graph.V
  13.     E = graph.E
  14.     dist = [float('inf')] * V
  15.     dist[src] = 0
  16.      for _ in range(V - 1):
  17.         for i in range(E):
  18.             u = graph.edges[i].src
  19.             v = graph.edges[i].dest
  20.             weight = graph.edges[i].weight
  21.             if dist[u] != float('inf') and dist[u] + weight < dist[v]:
  22.                 dist[v] = dist[u] + weight
  23.      for i in range(E):
  24.         u = graph.edges[i].src
  25.         v = graph.edges[i].dest
  26.         weight = graph.edges[i].weight
  27.         if dist[u] != float('inf') and dist[u] + weight < dist[v]:
  28.             print("Graph contains negative weight cycle")
  29.             return
  30.      print("Vertex\tDistance from Source")
  31.     for i in range(V):
  32.         print(i, "\t", dist[i])
  33. V = 5  # Number of vertices
  34. E = 8  # Number of edges

复制代码
graph = Graph(V, E)
# Add edges
graph.edges.append(Edge(0, 1, -1))
# Add other edges...
src = 0  # Source vertex
BellmanFord(graph, src)




这些示例展示了使用不同编程语言实现贝尔曼福特算法的方式。根据您选择的编程语言,使用相应的示例来实现贝尔曼福特算法。


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