Курсовая работа: Программная реализация алгоритма Дейкстры построение цепей минимальной длины

Программа должна работать так, чтобы пользователь вводил количество вершин и длины рёбер графа, а после обработки этих данных на экран выводился кратчайший путь между двумя заданными вершинами и его длина. Необходимо предусмотреть различные исходы поиска, чтобы программа не выдавала ошибок и работала правильно.

Данная программа может использоваться в дискретной математике для исследования графов или в качестве наглядного пособия, демонстрирующего применение алгоритма Дейкстры на практике.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Сведения о графах

Граф G (рис.2.1.1) задается множеством точек (вершин) х₁ , х₂ ,..., х_n . (которое обозначается через Х) и множеством линий (ребер) а₁ , а₂ ,...,а_m . (которое обозначается символом А), соединяющих между собой все или часть этих точек. Таким образом, граф G полностью задается (и обозначается) парой (Х, А). Если ребра из множества А ориентированы, что обычно показывается стрелкой, то они называются дугами, и граф с такими ребрами называется ориентированным графом.

рис.2.1.2

рис.2.1.1

Например, если дорога имеет не двух-, а одностороннее движение то направление этого движения будет показано стрелкой.

Если ребра не имеют ориентации, то граф называется неориентированным, (двухстороннее движение).

В ориентированном графе дуга обозначается упорядоченной парой, состоящей из начальной и конечной вершин, ее направление предполагается заданным от первой вершины ко второй.

Путем (или ориентированным маршрутом) ориентированного графа называется последовательность дуг, в которой конечная вершина всякой дуги, отличной от последней, является начальной вершиной следующей.

Так, на рис. 2.1.2 путями являются последовательности дуг:

а₆ , а₅ , а₉ , а₈ , а₄ . (1)

а₁ , а₆ , а₅ , а₉ . (2)

а₁ , а₆ , а₅ , а₉ , а₁₀ , а₆ , а₄ . (3)

Ориентированной цепью (орцепью) называется такой путь, в котором каждая дуга используется не больше одного раза.

Простой орцепью называется такой путь, в котором каждая вершина используется не более одного раза. Например, путь (2).

Маршрут есть неориентированный “двойник” пути, и это понятие рассматривается в тех случаях, когда можно пренебречь направленностью дуг в графе. Таким образом, маршрут есть последовательность ребер ä₁ , ä₂ ,..., ä_q , в которой каждое ребро а_{i ,} за исключением первого и последнего ребер, связано с ребрами а_i-1 и а_i+1 своими концевыми вершинами. Последовательности дуг:

ä₂ , ä₄ , ä₈ , ä₁₀ , (4)

ä₂ , ä₇ , ä₈ , ä₄ , ä₃ , (5)

ä₁₀ , ä₇ , ä₄ , ä₈ , ä₇ , ä₂ . (6)

в графе, изображенном на рис. 2.1.2, являются маршрутами; две точки над символом дуги означают, что ее ориентацией пренебрегают, т.е. дуга рассматривается как неориентированное ребро. Также путь или маршрут можно изображать последовательностью вершин. Например, путь (1) будет выглядеть следующем образом: х₂ , х₅ , х₄ , х₃ , х₅ , х₆ . Иногда дугам графа приписываются числа, называемыевесом, стоимостью, или длиной этой дуги. В этом случае граф называется графом с взвешенными дугами. А если вес приписывается вершинам графа, то тогда получается граф с взвешенными вершинами. Если в графе веса приписаны и дугам и вершинам, то он называется просто взвешенным. При рассмотрении пути µ представленного последовательностью дуг (ä₁ , ä₂ ,..., ä_q ), за его вес принимается число l(µ), равное сумме весов всех дуг, входящих в µ, т.е.

2.2 Алгоритм Дейкстры

Алгоритм Дейкстры строит кратчайшие пути, ведущие из исходной вершины графа к остальным вершинам этого графа (если таковые имеются).

В процессе работы алгоритма последовательно помечаются рассмотренные вершины графа. Причем вершина, помеченная последней (на данный момент) расположена ближе к исходной вершине, чем все непомеченные, но дальше, чем все помеченные.

Сначала помечается исходная вершина; следующей, очевидно, будет помечена вершина, ближайшая к исходной, и смежная с ней.

Пусть на каком-то шаге уже помечено несколько вершин. Известны кратчайшие пути, ведущие из исходной вершины к помеченным. Для каждой из непомеченных вершин проделаем следующее:

1. Рассмотрим все дуги, ведущие из помеченных вершин в одну непомеченную. Каждая такая дуга является последней дугой на пути из исходной вершины в эту непомеченную.

2. Выберем из этих путей кратчайший. А затем выберем среди них самый короткий ко всем непомеченным вершинам, и пометим вершину, к которой он ведет.

Алгоритм завершится, когда будут помечены все достижимые вершины.

В результате работы алгоритма Дейкстры строится Дерево кратчайших путей.