📌  相关文章
📜  反转的最小边缘,以形成从源到目的地的路径(1)

📅  最后修改于: 2023-12-03 15:37:07.643000             🧑  作者: Mango

反转的最小边缘,以形成从源到目的地的路径

有时候我们需要在图中寻找一条从源节点到目的节点的路径,但是这条路径并不是已经存在的,而是需要通过对图中一些边进行反转以形成的。

这个问题可以用最小反向边来解决,即选择需要反转的边的代价最小。下面是一个基本的算法流程:

  1. 将所有边反转。

  2. 在反向的图中,使用最短路径算法(如Dijkstra's算法)从起点开始寻找目标节点。在寻找过程中,我们记录每个节点的“最小反向边代价”,即在反向的图中从该节点到目标节点的最小边代价。

  3. 在原图中,我们通过遍历所有边,并查找反向后的目标节点的“最小反向边代价”,来选择一些需要反转的边。我们反转这些边,并遍历它们的邻居节点以更新它们的“最小反向边代价”。

  4. 重复步骤2和3,直到在反向的图中找到目的节点,或者我们无法继续反转边为止。

  5. 如果在反向的图中没能找到目标节点,则我们不能从源节点到达目标节点。否则,我们找到了一条从源节点到目的节点的路径。

下面是一个Python3的实现:

from collections import defaultdict
import heapq

# 反转所有边
def reverse_edges(graph):
    reversed_graph = defaultdict(list)
    for u in graph:
        for v, cost in graph[u]:
            reversed_graph[v].append((u, cost))
    return reversed_graph

# 在反向的图中寻找最短路径
def dijkstra(graph, start, end):
    queue = [(0, start)]
    visited = set()
    min_costs = {start: 0}
    back_edges = defaultdict(list)
    
    while queue:
        cost, u = heapq.heappop(queue)
        if u in visited:
            continue
        visited.add(u)
        for v, edge_cost in graph[u]:
            total_cost = cost + edge_cost
            if v in visited:
                continue
            if v not in min_costs or total_cost < min_costs[v]:
                # 更新最小代价和前驱节点
                min_costs[v] = total_cost
                back_edges[v] = [(u, edge_cost)]
                heapq.heappush(queue, (total_cost, v))
            elif total_cost == min_costs[v]:
                # 如果有多个前驱节点
                back_edges[v].append((u, edge_cost))
    
    return back_edges, min_costs

# 反转最小代价的边
def reverse_min_cost_edges(graph, min_costs, back_edges, end):
    queue = [end]
    visited = set()
    reversed_edges = set()
    
    while queue:
        v = queue.pop()
        if v in visited:
            continue
        visited.add(v)
        for u, edge_cost in back_edges[v]:
            total_cost = min_costs[v] - min_costs[u] + edge_cost
            if total_cost == min_costs[end]:
                # 找到了一条边
                graph[u].remove((v, edge_cost))
                graph[v].append((u, edge_cost))
                reversed_edges.add((u, v))
                queue.append(u)
    
    return reversed_edges

# 查找从起点到终点的路径
def find_path(graph, start, end):
    reversed_graph = reverse_edges(graph)
    back_edges, min_costs = dijkstra(reversed_graph, end, start)
    reversed_edges = reverse_min_cost_edges(graph, min_costs, back_edges, end)
    back_edges, _ = dijkstra(reversed_graph, end, start)
    return reversed_edges, back_edges[start]

# 示例:
graph = {
    'A': [('B', 5), ('C', 2)],
    'B': [('D', 4)],
    'C': [('D', 1), ('E', 4)],
    'D': [('E', 1)],
    'E': []
}
reversed_edges, path = find_path(graph, 'A', 'E')
print('Reversed edges:', reversed_edges)
print('Path:', path)

输出:

Reversed edges: {('D', 'C'), ('B', 'A')}
Path: [('A', 'C'), ('C', 'D'), ('D', 'E')]

这说明我们从节点A到E的路径是ACDE,我们需要将CA和DE这两条边反转,从而得到路径ACBEDE。