Исследование алгоритма дейкстры на больших данных. Графы. Нахождение кратчайшего расстояния между двумя вершинами с помощью алгоритма Дейкстры. Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма

Алгоритм Дейкстры предназначен для нахождения кратчайшего пути между вершинами в неориентированном графе.

Идея алгоритма следующая: сначала выберем путь до начальной вершины равным нулю и заносим эту вершину во множество уже выбранных, расстояние от которых до оставшихся невыбранных вершин определено. На каждом следующем этапе находим следующую выбранную вершину, расстояние до которой наименьшее, и соединенную ребром с какой-нибудь вершиной из множества невыбранных (это расстояние будет равно расстоянию до выбранной вершины плюс длина ребра).

Пример 1. Найти кратчайший путь на графе от вершины L до вершины D (рис. 10.7).

Рис. 10.7.

Запишем алгоритм в виде последовательности шагов (табл. 10.1). Шаг 1. Определяем расстояния от начальной вершины L до всех остальных.

Таблица 10.1

Метод Дейкстры (первый шаг)

Выбранная	Путь до выбранной вершины	Невыбранная вершина

Шаг 2. Выбираем наименьшее расстояние от L до В; найденная вершина В принимается за вновь выбранную. Найденное наименьшее расстояние добавляем к длинам ребер от новой вершины В до всех остальных. Выбираем минимальное расстояние от В до N. Новую вершину N принимаем за выбранную (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Метод Дейкстры (второй шаг)

Выбранная	Путь до выбранной вершины	Невыбранная вершина

Для наглядности в дальнейшем вместо знака оо будем ставить знак « - ».

Шаг 3. Определяем расстояния от вершины N л о всех оставшихся (за исключением L и В), как показано в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Метод Дейкстры (третий шаг)

Выбранная	Путь до выбранной вершины	Невыбранная вершина

Расстояние от вершины L через вершину N до вершины G равно 18 условных единиц. Это расстояние больше, чем расстояние LB + BG = 16 условных единиц, вследствие чего оно не учитывается в дальнейшем. Продолжая аналогичные построения, составим табл. 10.4. Таким образом, найдена длина кратчайшего пути между вершинами L и D (44 условных единицы).

Траекторию пути определяем следующим образом. Выполняем обратный просмотр от конечной вершины к начальной. Просматриваем столбец, соответствующий вершине, снизу вверх и фиксируем первое появление минимальной величины. В столбце, соответствующем вершине D, впервые минимальная длина 44 условных единицы появилась снизу в четвертой строке. В этой строке указана вершина S, к которой следует перейти, т.е. следующим нужно рассматривать столбец, соответствующий вершине S.

Таблица 10.4

Выбранная вершина	Путь до выбранной вершины	Невыбранная вершина

В этом столбце минимальная длина, равная 27 условным единицам, указывает следующую вершину G, к которой надлежит перейти, и т.д. Таким образом, получаем траекторию пути: (L, В, G, S, D).

Пример 8. Найти кратчайший путь на графе между 1-й и 7-й вершинами (рис. 10.8).

Определяем (табл. 10.5) следующую выбранную вершину, расстояние до которой наименьшее и соединенную ребром с одной из вершин, принадлежащих множеству невыбранных (это расстояние будет равно расстоянию до выбранной вершины плюс длина ребра).

Рис. 10.8. Граф (а) и соответствующая ему матрица смежности (б)

Табличная реализация метода Дейкстры

Таблица 10.5

Выбранная	Путь до выбранной вершины	Невыбранная вершина
у 6

Выполняем обратный просмотр от конечной вершины к начальной.

Просматриваем столбец, соответствующий вершине, снизу вверх и фиксируем первое появление минимальной величины. Кратчайший путь при этом будет равен (V 7 - V 5 - V 2 - У {).

и КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Какова теоретическая сложность алгоритмов: построения дерева решений, динамического программирования и Дейкстры?
• 2. В чем особенность использования дерева решений для ориентированного и неорентированного графа?
• 3. В решении каких прикладных задач используются алгоритмы определения в графе кратчайших расстояний между заданными вершинами?
• 4. Может ли быть применен рассмотренный в работе алгоритм Дейкстры к определению кратчайшего расстояния в ориентированном графе?
• 5. Как работает алгоритм Дейкстры?
• 6. Как работает алгоритм динамического программирования применительно к задаче определения в графе кратчайших расстояний между вершинами?

Дан ориентированный или неориентированный взвешенный граф с вершинами и рёбрами. Веса всех рёбер неотрицательны. Указана некоторая стартовая вершина . Требуется найти длины кратчайших путей из вершины во все остальные вершины, а также предоставить способ вывода самих кратчайших путей.

Эта задача называется "задачей о кратчайших путях с единственным источником" (single-source shortest paths problem).

Алгоритм

Здесь описывается алгоритм, который предложил голландский исследователь Дейкстра (Dijkstra) в 1959 г.

Заведём массив , в котором для каждой вершины будем хранить текущую длину кратчайшего пути из в . Изначально , а для всех остальных вершин эта длина равна бесконечности (при реализации на компьютере обычно в качестве бесконечности выбирают просто достаточно большое число, заведомо большее возможной длины пути):

Кроме того, для каждой вершины будем хранить, помечена она ещё или нет, т.е. заведём булевский массив . Изначально все вершины не помечены, т.е.

Сам алгоритм Дейкстры состоит из итераций . На очередной итерации выбирается вершина с наименьшей величиной среди ещё не помеченных, т.е.:

(Понятно, что на первой итерации выбрана будет стартовая вершина .)

Выбранная таким образом вершина отмечается помеченной. Далее, на текущей итерации, из вершины производятся релаксации : просматриваются все рёбра , исходящие из вершины , и для каждой такой вершины алгоритм пытается улучшить значение . Пусть длина текущего ребра равна , тогда в виде кода релаксация выглядит как:

На этом текущая итерация заканчивается, алгоритм переходит к следующей итерации (снова выбирается вершина с наименьшей величиной , из неё производятся релаксации, и т.д.). При этом в конце концов, после итераций, все вершины графа станут помеченными, и алгоритм свою работу завершает. Утверждается, что найденные значения и есть искомые длины кратчайших путей из в .

Стоит заметить, что, если не все вершины графа достижимы из вершины , то значения для них так и останутся бесконечными. Понятно, что несколько последних итераций алгоритма будут как раз выбирать эти вершины, но никакой полезной работы производить эти итерации не будут (поскольку бесконечное расстояние не сможет прорелаксировать другие, даже тоже бесконечные расстояния). Поэтому алгоритм можно сразу останавливать, как только в качестве выбранной вершины берётся вершина с бесконечным расстоянием.

Восстановление путей . Разумеется, обычно нужно знать не только длины кратчайших путей, но и получить сами пути. Покажем, как сохранить информацию, достаточную для последующего восстановления кратчайшего пути из до любой вершины. Для этого достаточно так называемого массива предков : массива , в котором для каждой вершины хранится номер вершины , являющейся предпоследней в кратчайшем пути до вершины . Здесь используется тот факт, что если мы возьмём кратчайший путь до какой-то вершины , а затем удалим из этого пути последнюю вершину, то получится путь, оканчивающийся некоторой вершиной , и этот путь будет кратчайшим для вершины . Итак, если мы будем обладать этим массивом предков, то кратчайший путь можно будет восстановить по нему, просто каждый раз беря предка от текущей вершины, пока мы не придём в стартовую вершину — так мы получим искомый кратчайший путь, но записанный в обратном порядке. Итак, кратчайший путь до вершины равен:

Осталось понять, как строить этот массив предков. Однако это делается очень просто: при каждой успешной релаксации, т.е. когда из выбранной вершины происходит улучшение расстояния до некоторой вершины , мы записываем, что предком вершины является вершина :

Доказательство

Основное утверждение , на котором основана корректность алгоритма Дейкстры, следующее. Утверждается, что после того как какая-либо вершина становится помеченной, текущее расстояние до неё уже является кратчайшим, и, соответственно, больше меняться не будет.

Доказательство будем производить по индукции. Для первой итерации справедливость его очевидна — для вершины имеем , что и является длиной кратчайшего пути до неё. Пусть теперь это утверждение выполнено для всех предыдущих итераций, т.е. всех уже помеченных вершин; докажем, что оно не нарушается после выполнения текущей итерации. Пусть — вершина, выбранная на текущей итерации, т.е. вершина, которую алгоритм собирается пометить. Докажем, что действительно равно длине кратчайшего пути до неё (обозначим эту длину через ).

Рассмотрим кратчайший путь до вершины . Понятно, этот путь можно разбить на два пути: , состоящий только из помеченных вершин (как минимум стартовая вершина будет в этом пути), и остальная часть пути (она тоже может включать помеченные вершины, но начинается обязательно с непомеченной). Обозначим через первую вершину пути , а через — последнюю вершины пути .

Докажем сначала наше утверждение для вершины , т.е. докажем равенство . Однако это практически очевидно: ведь на одной из предыдущих итераций мы выбирали вершину и выполняли релаксацию из неё. Поскольку (в силу самого выбора вершины ) кратчайший путь до равен кратчайшему пути до плюс ребро , то при выполнении релаксации из величина действительно установится в требуемое значение.

Вследствие неотрицательности стоимостей рёбер длина кратчайшего пути (а она по только что доказанному равна ) не превосходит длины кратчайшего пути до вершины . Учитывая, что (ведь алгоритм Дейкстры не мог найти более короткого пути, чем это вообще возможно), в итоге получаем соотношения:

С другой стороны, поскольку и , и — вершины непомеченные, то так как на текущей итерации была выбрана именно вершина , а не вершина , то получаем другое неравенство:

Из этих двух неравенств заключаем равенство , а тогда из найденных до этого соотношений получаем и:

что и требовалось доказать.

Реализация

Итак, алгоритм Дейкстры представляет собой итераций, на каждой из которых выбирается непомеченная вершина с наименьшей величиной , эта вершина помечается, и затем просматриваются все рёбра, исходящие из данной вершины, и вдоль каждого ребра делается попытка улучшить значение на другом конце ребра.

Время работы алгоритма складывается из:

При простейшей реализации этих операций на поиск вершины будет затрачиваться операций, а на одну релаксацию — операций, и итоговая асимптотика алгоритма составляет:

Реализация :

const int INF = 1000000000 ; int main() { int n; ... чтение n ... vector < vector < pair< int ,int > > > g (n) ; ... чтение графа... int s = ...; // стартовая вершина vector< int > d (n, INF) , p (n) ; d[ s] = 0 ; vector< char > u (n) ; for (int i= 0 ; i< n; ++ i) { int v = - 1 ; for (int j= 0 ; j< n; ++ j) if (! u[ j] && (v == - 1 || d[ j] < d[ v] ) ) v = j; if (d[ v] == INF) break ; u[ v] = true ; for (size_t j= 0 ; j< g[ v] .size () ; ++ j) { int to = g[ v] [ j] .first , len = g[ v] [ j] .second ; if (d[ v] + len < d[ to] ) { d[ to] = d[ v] + len; p[ to] = v; } } } }

Здесь граф хранится в виде списков смежности: для каждой вершины список содержит список рёбер, исходящих из этой вершины, т.е. список пар >, где первый элемент пары — вершина, в которую ведёт ребро, а второй элемент — вес ребра.

Алгоримтм Демйкстры (Dijkstra"s algorithm) - алгоритм на графах, изобретённый нидерландским ученым Э. Дейкстрой в 1959 году. Находит кратчайшее расстояние от одной из вершин графа до всех остальных. Алгоритм работает только для графов без рёбер отрицательного веса. Алгоритм широко применяется в программировании и технологиях, например, его использует протокол OSPF для устранения кольцевых маршрутов. Известен также под названием "Сначала Кратчайший Путь" (Shortest Path First).

Алгоритм Дейкстры решает задачу о кратчайших путях из одной вершины для взвешенного ориентированного графа G = (V, E) с исходной вершиной s, в котором веса всех рёбер неотрицательны ((u, v) ? 0 для всех (u, v) E). В случае, когда ребра графа не равны, целесообразно использовать этот алгоритм.

Формулировка задачи. Имеется граф. Некоторая его вершина обозначена как вершина 1. Необходимо найти минимальные пути от вершины 1 до каждой из вершин графа. Минимальным путём будем называть путь с минимальной суммой цен вдоль пути. Ценой назовем неотрицательное число являющееся весом ребра.

Идея алгоритма. Идея основывается на следующем очевидном утверждении: Пусть построен минимальный путь из вершины а в вершину B. И пусть вершина B связана с некоторым количеством вершин i . Обозначим через C i - цену пути из вершины B в вершину i. Выберем из C i минимальную величину. Тогда минимальное продолжение пути из точки B пойдёт через выбранную величину.

Это утверждение действительно не требует доказательства. И из него вытекает очень серьёзное следствие. Пусть есть множество вершин через которые уже проходят минимальные пути. Такое множество гарантированно есть, это вершина 1. Утверждение сформулированное выше даёт возможность добавлять к уже существующему множеству вершин (будем далее называть их выделенными) еще одну вершину, а так как в графе количество вершин конечно, то за конечное количество шагов все вершины графа окажутся выделенными, а это и будет решением.

Сущность алгоритма Дейкстры и заключается в процедуре добавления еще одной вершины к множеству выделенных. Эта процедура состоит из двух шагов:

1. Строим множество вершин инцидентных выделенным и находим среди их вершину с наименьшей ценой. Найденная вершина добавляется в множество выделенных.

2. Строим множество вершин инцидентных выделенным и определяем для них новые цены. Новая цена вершины это минимальная цена пути от множества выделенных вершин до данной вершины. Строится новая цена так:

a. Для невыделенной вершины во множестве выделенных определяется подмножество вершин инцидентных данной.

b. Для каждой вершины выделенной подмножества определяется цена пути до данной.

c. Определяется минимальная цена. Эта цена и становится ценой вершины.

Алгоритм работает с двумя типами цен: ценой ребра и ценой вершины. Цены ребер являются постоянной величиной. Цены же вершин постоянно пересчитываются. Смысл этих цен различен. Цена ребра это цена перехода из вершины в вершину соединённую этим ребром. А цена вершины это цена минимального пути. Ещё одно важное замечание касается пересчета предварительных цен. Фактически, есть смысл пересчитывать предварительные цены только для тех вершин которые связаны с вершиной добавленной во множество выделенных на последнем шаге, так как для других вершин нет причин изменения предварительной цены.

Известно, что все цены (например, прокладки пути или проезда) неотрицательны. Найти наименьшую стоимость пути 1->i для всех i=1. n за время O (n2).

В процессе работы алгоритма некоторые города будут выделенными (в начале - только город 1, в конце - все). При этом:

для каждого выделенного города i хранится наименьшая стоимость пути 1->i; при этом известно, что минимум достигается на пути, проходящем только через выделенные города;

для каждого невыделенного города i хранится наименьшая стоимость пути 1->i, в котором в качестве промежуточных используются только выделенные города.

Множество выделенных городов расширяется на основании следующего замечания: если среди всех невыделенных городов взять тот, для которого хранимое число минимально, то это число является истинной наименьшей стоимостью. В самом деле, пусть есть более короткий путь. Рассмотрим первый невыделенный город на этом пути - уже до него путь длиннее! (Здесь существенна неотрицательность цен.)

Добавив выбранный город к выделенным, мы должны скорректировать информацию, хранимую для невыделенных городов. При этом достаточно учесть лишь пути, в которых новый город является последним пунктом пересадки, а это легко сделать, так как минимальную стоимость пути в новый город мы уже знаем.

Другими словами, каждой вершине из V сопоставим метку - минимальное известное расстояние от этой вершины до a. Алгоритм работает пошагово - на каждом шаге он "посещает" одну вершину и пытается уменьшать метки. Работа алгоритма завершается, когда все вершины посещены.

Инициализация. Метка самой вершины a полагается равной 0 , метки остальных вершин - бесконечности. Это отражает то, что расстояния от a до других вершин пока неизвестны. Все вершины графа помечаются как непосещенные.

Шаг алгоритма. Если все вершины посещены, алгоритм завершается. В противном случае из еще не посещенных вершин выбирается вершина u , имеющая минимальную метку. Мы рассматриваем всевозможные маршруты, в которых u является предпоследним пунктом. Вершины, соединенные с вершиной u ребрами, назовем соседями этой вершины. Для каждого соседа рассмотрим новую длину пути, равную сумме текущей метки u и длины ребра, соединяющего u с этим соседом. Если полученная длина меньше метки соседа, заменим метку этой длиной. Рассмотрев всех соседей, пометим вершину u как посещенную и повторим шаг.

Поскольку алгоритм Дейкстры всякий раз выбирает для обработки вершины с наименьшей оценкой кратчайшего пути, можно сказать, что он относится к жадным алгоритмам.

Опишем более подробно схему работы алгоритма Дейкстры.

Алгоритм использует три массива из N (= числу вершин сети) чисел каждый. Первый массив A содержит метки с двумя значения: 0 (вершина еще не рассмотрена) и 1 (вершина уже рассмотрена); второй массив B содержит расстояния - текущие кратчайшие рас - стояния от до соответствующей вершины; третий массив с содержит номера вершин - k-й элемент С [k] есть номер предпоследней вершины на текущем кратчайшем пути из Vi в Vk. Матрица расстояний D задает длины дуге D ; если такой дуги нет, то D присваивается большое число Б, равное "машинной бесконечности".

Теперь можно описать:

1. (инициализация). В цикле от 1 до N заполнить нулями массив A; заполнить числом i массив C; перенести i-ю строку матрицы D в массив B, A [i]: =1; C [i]: =0 (i - номер стартовой вершины)

2. (общий шаг). Hайти минимум среди неотмеченных (т.е. тех k, для которых A [k] =0); пусть минимум достигается на индексе j, т.е. B [j] <=B [k] Затем выполняются следующие операции: A [j]: =1; если B [k] >B [j] +D , то (B [k]: =B [j] +D ; C [k]: =j) (Условие означает, что путь Vi. Vk длиннее, чем путь Vi. Vj Vk). (Если все A [k] отмечены, то длина пути от Vi до Vk равна B [k]. Теперь надо) перечислить вершины, входящие в кратчайший путь).

3. (выдача ответа). (Путь от Vi до Vk выдается в обратном порядке следующей процедурой:)

2. Выдать z;

3. z: =C [z]. Если z = О, то конец, иначе перейти к 3.2.

Для выполнения алгоритма нужно N раз просмотреть массив B из N элементов, т.е. алгоритм Дейкстры имеет квадратичную сложность: O (n2).

Ниже приведена блок-схема алгоритма Дейкстры (см. рис.2).

Рис.2. Блок-схема алгоритма Дейкстры

В начале алгоритма расстояние для начальной вершины полагается равным нулю, а все остальные расстояния заполняются большим положительным числом (бомльшим максимального возможного пути в графе). Массив флагов заполняется нулями. Затем запускается основной цикл.

На каждом шаге цикла мы ищем вершину с минимальным расстоянием и флагом равным нулю. Затем мы устанавливаем в ней флаг в 1 и проверяем все соседние с ней вершины. Если в ней расстояние больше, чем сумма расстояния до текущей вершины и длины ребра, то уменьшаем его. Цикл завершается когда флаги всех вершин становятся равны 1.

Решить задачу о нахождении кратчайшего пути алгоритмом Дейкстры.
Найти кратчайший путь от Х0 до Х7. Граф задан элементами стоимостной матрицы

Построим этот граф


Начнем с элемента Х0 и присвоим ему метку 0, рассмотрим всех его соседей, т.к. там еще нет пометок, то присвоим им соответствующие длины:


Все соседи Х0 рассмотрены, помечаем ее и переходим к вершине Х1. ЕЕ соседи Х0, Х2,Х4, но Х0 помечена, не рассматриваем ее. Для Х2: , оставляем метку.

Для Х4: , заменяем метку. Все соседи вершины Х1 рассмотрены, помечаем ее


переходим к вершине Х2. ЕЕ соседи Х0, Х1,Х3, Х4, Х5, Х6, но Х0, Х1 помечены, не рассматриваем их.
Для Х3: , оставляем метку.
Для Х5: , заменяем метку.
Для Х4: , оставляем метку.
Для Х6: , заменяем метку.
Все соседи вершины Х2 рассмотрены, помечаем ее.


переходим к вершине Х3. ЕЕ соседи Х0, Х2, Х6, но Х0, Х2 помечены, не рассматриваем их.
Для Х6: , оставляем метку.
Все соседи вершины Х3 рассмотрены, помечаем ее.


переходим к вершине Х4. ЕЕ соседи Х1,Х2, Х5, Х7, но Х1, Х2 помечены, не рассматриваем их.
Для Х5: , заменяем метку.
Для Х7: , заменяем метку.
Все соседи вершины Х4 рассмотрены, помечаем ее.


переходим к вершине Х5. ЕЕ соседи Х2,Х4, Х6, Х7, но Х2, Х4 помечены, не рассматриваем их.
Для Х6: , оставляем метку.
Для Х7: , оставляем метку.
Все соседи вершины Х5 рассмотрены, помечаем ее.


переходим к вершине Х6. ЕЕ соседи Х2,Х3, Х5, Х7, но Х2, Х3, Х5 помечены, не рассматриваем их.
Для Х7: , оставляем метку.
Все соседи вершины Х6 рассмотрены, помечаем ее. И помечаем оставшуюся Х7, все вершины рассмотрены.


Вывод: Кратчайший путь их Х0 в Х7 имеет длину 101, этот путь: Х7-Х4-Х1-Х0.

5.4.3. Задача о кратчайшем пути и алгоритм Дейкстры ее решения

Пусть задан орграф G (V , E ), каждой дуге которого поставлено в соответствие число
, называемое длиной дуги .

Определение. Длиной пути называется сумма длин дуг, составляющих этот путь. Задача о кратчайшем пути ставится так.

Вариант 1. Найти длины кратчайших путей (путей минимальной длины) и сами пути от фиксированной вершины s до всех остальных вершин графа.

Вариант 2. Найти длины кратчайших путей и сами пути между всеми парами вершин данного графа.

Если в графе имеются дуги отрицательной длины, задача может не иметь решений (потеряет смысл). Это происходит из-за того, что в графе может присутствовать контур отрицательной длины. Наличие контуров отрицательной длины означает, что длину пути можно сделать равной
. А если контуров отрицательной длины нет, то кратчайшие пути существуют и любой кратчайший путь – это простая цепь.

Заметим, что если кратчайший путь существует, то любой его подпуть – это тоже кратчайший путь между соответствующими вершинами.

Алгоритм Дейкстры решения задачи о кратчайшем пути.

Алгоритм работает с дугами положительной длины и определяет кратчайшие пути от фиксированной вершины s до всех остальных вершин графа. Обозначим эти вершины v 1 , v 2 ,…, v n .

Определение. Назовем вершину u лежащей ближе к вершине s , чем вершина v , если длина кратчайшего пути от s до u меньше длины кратчайшего пути от s до v . Будем говорить, что вершины u и v равноудалены от вершины s , если длины кратчайших путей от s до u и от s до v совпадают.

Алгоритм Дейкстры последовательно упорядочивает вершины графа в смысле близости к вершине s и основан на следующих базовых принципах.

Если длины дуг – положительные числа, то

ближайшая к s вершина – она сама. Длина кратчайшего пути от s до s равна 0;

ближайшая к s вершина, отличная от s , лежит от s на расстоянии одной дуги  самой короткой из всех дуг, выходящих из вершины s ;

любая промежуточная вершина кратчайшего пути от s до некоторой вершины v лежит ближе к s , чем конечная вершина v ;

кратчайший путь до очередной упорядоченной вершины может проходить только через уже упорядоченные вершины.

Пусть алгоритм уже упорядочил вершины v 1 , v 2 … v k . Обозначим через
,
длину кратчайшего пути до вершины v i .

Рассмотрим все дуги исходного графа, которые начинаются в одной из вершин множества
и оканчиваются в еще неупорядоченных вершинах. Для каждой такой дуги, например
, вычислим сумму
. Эта сумма равна длине пути из s в y , в котором вершина v i есть предпоследняя вершина, а путь из s в v i – кратчайший из всех путей, соединяющих s и v i .

Этим самым определены длины всех путей из s в еще не упорядоченные вершины, в которых промежуточными вершинами являются только вершины из числа k ближайших к s . Пусть кратчайший из этих путей оканчивается на вершине w . Тогда w и есть
по близости к s вершина.

Технически действия по алгоритму Дейкстры осуществляются при помощи аппарата меток вершин. Метка вершины v обозначается как
. Всякая метка – это число, равное длине некоторого пути от s до v . Метки делятся на временные и постоянные. На каждом шаге только одна метка становиться постоянной. Это означает, что ее значение равно длине кратчайшего пути до соответствующей вершины, а сама эта вершина упорядочивается. Номер очередной упорядоченной вершины обозначим буквой р .

Описание алгоритма .

Шаг 1. (Начальная установка) . Положить
и считать эту метку постоянной. Положить
,
и считать эти метки временными. Положить
.

Шаг 2. (Общий шаг). Он повторяется n раз, пока не будут упорядочены все вершины графа.

Пересчитать временную метку
всякой неупорядоченной вершины v i , в которую входит дуга, выходящая из вершины р, по правилу

Выбрать вершину с минимальной временной меткой. Если таких вершин несколько, выбрать любую.

Пусть w - вершина с минимальной временной меткой. Считать метку
постоянной и положить
.

Шаги алгоритма Дейкстры удобно оформлять в таблице, каждый столбец которой соответствует вершине графа. Строки таблицы соответствуют повторению общего шага.

Пример . Для графа на рис. 4. найти кратчайшие пути от вершин
до всех остальных вершин графа. Ребра означают две разнонаправленные дуги одинаковой длины.

Решение. В табл. 1 записаны метки вершин на каждом шаге. Постоянные метки помечены знаком «+». Подробно опишем, как вычисляются метки вершин.

Из вершины 1 выходят дуги в вершины 2, 5, 6. Пересчитываем метки этих вершин и заполним вторую строку таблицы.

Метка вершины 6 становиться постоянной,
.

Из вершины 6 выходят дуги в еще неупорядоченные вершины 2, 5, 8, 9. Пересчитываем их временные метки

Заполняем 3 строку таблицы. Минимальная из временных меток равна 3 (метка вершины 9),
.

Из вершины 9 выходят дуги в еще неупорядоченные вершины 5, 8, 11, 12. Тогда

Заполняем четвертую строку таблицы. В этой строке две вершины  2 и 12 имеют минимальные временные метки, равные 4. Сначала упорядочим, например, вершину 2. Тогда на следующем шаге будет упорядочена вершина 12.

Таблица 1

Итак,
.

Из вершины 2 выходят дуги в еще неупорядоченные вершины 3, 4, 5. Пересчитываем временные метки этих вершин

Заполняем 5 строку таблицы. Минимальная из временных меток равна 4 (метка вершины 12),
.

Заполняем 6 строку таблицы. Минимальная из временных меток равна 5 (метка вершины 5),
.

Заполняем 7 строку таблицы. Становиться постоянной метка вершины 8 (она равна 5),
.

Вершина 11 упорядочивается.

Из вершины 11 выходят дуги в неупорядоченные вершины 7, 10. Пересчитываем временные метки этих вершин

Вершина 4 получает постоянную метку.

Из вершины 4 выходят дуги в неупорядоченные вершины 3, 7. Пересчитываем временные метки

Упорядочиваем вершину 3.

Заполняем 12 строку таблицы. На этом шаге упорядочиваем последнюю неупорядоченную вершину 10.

Построение дерева кратчайших путей.

Дерево кратчайших путей – это ориентированное дерево с корнем в вершине S . Все пути в этом дереве – кратчайшие для данного графа.

Дерево кратчайших путей строится по таблице, в него включаются вершина за вершиной в том порядке, в котором они получали постоянные метки. Первым в дерево включается корень – вершина S .

Построим дерево кратчайших путей для нашего примера.

Сначала включаем в дерево корень – вершину 1. Затем в дерево включается дуга (1,6). Следующей была упорядочена вершина 9, длина кратчайшего пути до которой равна 3. Первый раз число 3 появилось в третьей строке, которая заполнялась при
. Следовательно, вершина 6 – предпоследняя вершина кратчайшего пути до вершины 9. Включаем в дерево дугу (6,9) длины 1.

Затем была упорядочена вершина 2 с длиной кратчайшего пути, равной 4. Это число первый раз появилось в третьей строке, которая заполнялась при
. Следовательно, кратчайший путь во вторую вершину проходит по дуге (6,2). Включаем в дерево дугу (6,2) длины 2.

Далее была упорядочена вершина 12,
. Первый раз число 4 появляется в четвертой строке, которая заполнялась при
. В дерево включается дуга (9,12) длины 1. Полное дерево кратчайших путей показано на рис. 5.

Алгоритм Дейкстры может ошибаться, если в графе есть дуги отрицательной длины. Так, отыскивая кратчайшие пути от вершины s =1 для графа на рис. 6, алгоритм сначала упорядочит вершину 3, затем вершину 2 и закончит работу. При этом этот кратчайший путь до вершины 3, с точки зрения алгоритма Дейкстры,  это дуга (1,3) длины 3.

На самом деле, кратчайший путь до вершины 3 состоит из дуг (1,2) и (2,3), длина этого пути равна 5+(-3)=2.

Из-за наличия дуги (2,3) отрицательной длины –3 оказались нарушенными следующие базовые принципы:

ближайшая к s вершина лежит от нее на расстоянии двух дуг, а не одной;

промежуточная вершина кратчайшего пути 1-2-3 (вершина 2) лежит дальше от вершины 1 (на расстоянии 5), чем конечная вершина пути 3.

Следовательно, присутствие дуг отрицательной длины усложняет решение задачи о кратчайшем пути и требует использования более сложных алгоритмов, нежели алгоритм Дейкстры.