最短路径问题-数学建模省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,最短路径问题,Mathematica Modeling,参考书：,1.傅鹂 龚劬 刘琼荪 何中市 数学试验科学出版社,2.张绍民 李淑华 数据结构教程C语言版中国电力出版社,第1页,1,主要内容,Floyd算法,Dijkstra算法,两个例子求解,引例2：最廉价航费表制订,引例1：最短运输路线问题,最短路径问题0-1规划模型,第2页,2,如图交通网络，每条弧上数字代表车辆在该路段行驶所需时间，有向边表示单行道，无向边表示可双向行驶。若有一批货物要从,1,号顶点运往,11,号顶点，问运货车应沿哪条线路行驶，才能最快地抵达目标地？,引例1：,最短运输路线问题,10,2,3,7,4,11,6,5,9,8,1,3,5,12,2,10,6,1,5,8,8,7,9,9,3,2,2,7,第3页,3,某企业在六个城市,C,1,C,2,C,3,C,4,C,5,C,6,都有分企业，企业组员经常往来于它们之间，已知从,Ci,到,C,j,直达航班票价由下述矩阵第i行，第j列元素给出（,表示无直达航班），该企业想算出一张任意两个城市之间最廉价路线航费表。,引例2：,最廉价航费表制订,第4页,4,最短路径问题,定义：设P(u,v)是加权图G中从u到v路径,则该路径上边权之和称为该路径权,记为w(P).从u到v路径中权最小者 P*(u,v)称为u到v最短路径.,10,2,3,7,4,11,6,5,9,8,1,3,5,12,2,10,6,1,5,8,8,7,9,9,3,2,2,7,第5页,5,最短路径算法,Dijkstra算法,使用范围:,寻求从一固定顶点到其余各点最短路径;,有向图、无向图和混合图;,权非负.,算法思绪：,采取标号作业法,每次迭代产生一个永久标号,从而生长一颗以v,0,为根最短路树,在这颗树上每个顶点与根节点之间路径皆为最短路径.,10,2,3,7,4,11,6,5,9,8,1,3,5,12,2,10,6,1,5,8,8,7,9,9,3,2,2,7,第6页,6,Dijkstra算法,算法步骤,S:含有永久标号顶点集;,l(v):v标识;f(v):v父顶点,用以确定最短路径;,输入加权图带权邻接矩阵w=w(v,i,v,j,),nxm,.,初始化 令l(v,0,)=0,S=,;vv,0,l(v)=;,更新l(v),f(v),寻找不在S中顶点u,使l(u)为最小.把u加入到S中,然后对全部不在S中顶点v,如l(v)l(u)+w(u,v),则更新l(v),f(v),即 l(v),l(u)+w(u,v),f(v)u;,重复步骤2),直到全部顶点都在S中为止.,第7页,7,MATLAB程序（Dijkstra算法）,function min,path=dijkstra(w,start,terminal),n=size(w,1);label(start)=0;f(start)=start;,for i=1:n,if i=start,label(i)=inf;,end,end,s(1)=start;u=start;,while length(s)(label(u)+w(u,v),label(v)=(label(u)+w(u,v);f(v)=u;,end,end,end,v1=0;,k=inf;,for i=1:n,ins=0;,for j=1:length(s),if i=s(j),ins=1;,end,end,if ins=0,v=i;,if klabel(v),k=label(v);v1=v;,end,end,end,s(length(s)+1)=v1;,u=v1;,end,min=label(terminal);path(1)=terminal;,i=1;,while path(i)=start,path(i+1)=f(path(i);,i=i+1;,end,path(i)=start;,L=length(path);,path=path(L:-1:1);,第8页,8,最短路径算法,Dijkstra,算法程序使用说明：,调用格式为,min,path=dijkstra(w,start,terminal),其中输入变量w为所求图带权邻接矩阵，,start,terminal分别为路径起点和终点号码。,返回,start到terminal最短路径path及其长度min.,注意：顶点编号从1开始连续编号。,第9页,9,最短路径算法,Floyd,算法,使用范围:,求每对顶点最短路径;,有向图、无向图和混合图;,算法思想:,直接在图带权邻接矩阵中用插入顶点方法依次递推地结构出n个矩阵D(1),D(2),D(n),D(n)是图距离矩阵,同时引入一个后继点矩阵统计两点间最短路径.,10,2,3,7,4,11,6,5,9,8,1,3,5,12,2,10,6,1,5,8,8,7,9,9,3,2,2,7,第10页,10,Floyd算法,算法步骤,d(i,j):i到j距离;,path(i,j):i到j路径上i后继点;,输入带权邻接矩阵a(i,j).,1）赋初值,对全部i,j,d(i,j),a(i,j),path(i,j)j,k=l.,2）更新d(i,j),path(i,j),对全部i,j,若d(i,k)+d(k,j)d(i,j),则,d(i,j)d(i,k)+d(k,j),path(i,j)path(i,k),k k+1,3）重复2)直到k=n+1,第11页,11,MATLAB程序（Floyd算法）,function D,path,min1,path1=floyd(a,start,terminal),D=a;n=size(D,1);path=zeros(n,n);,for i=1:n,for j=1:n,if D(i,j)=inf,path(i,j)=j;,end,end,end,for k=1:n,for i=1:n,for j=1:n,if D(i,k)+D(k,j)D(i,j),D(i,j)=D(i,k)+D(k,j);,path(i,j)=path(i,k);,end,end,end,end,if nargin=3,min1=D(start,terminal);,m(1)=start;,i=1;,path1=;,while path(m(i),terminal)=terminal,k=i+1;,m(k)=path(m(i),terminal);,i=i+1;,end,m(i+1)=terminal;,path1=m;,end,第12页,12,最短路径算法,Floyd,算法程序使用说明：,1.D,path=floyd(a),返回矩阵D,path。其中a是所求图带权邻接矩阵，D(i,j)表示i到j最短距离;path(i,j)表示i与j之间最短路径上顶点i后继点.,2.D,path,min1,path1=floyd(a,i,j)返回矩阵D,path;并返回i与j之间最短距离min1和最短路径path1.,第13页,13,edge=2,3,1,3,3,5,4,4,1,7,6,6,5,5,11,1,8,6,9,10,8,9,9,10;.,3,4,2,7,5,3,5,11,7,6,7,5,6,11,5,8,1,9,5,11,9,8,10,9;.,3,5,8,5,6,6,1,12,7,9,9,2,2,10,10,8,8,3,7,2,9,9,2,2;,n=11;weight=inf*ones(n,n);,for i=1:n,weight(i,i)=0;,end,for i=1:size(edge,2),weight(edge(1,i),edge(2,i)=edge(3,i);,end,dis,path=dijkstra(weight,1,11),引例1Matlab求解,10,2,3,7,4,11,6,5,9,8,1,3,5,12,2,10,6,1,5,8,8,7,9,9,3,2,2,7,第14页,14,运行上页程序输出：,dis=,21,path=,1 8 9 10 11,所以顶点1到顶点11最短路径为18 9 10 11,其长度为21。,引例1求解,第15页,15,建立脚本m文件以下：,a=0,50,inf,40,25,10;50,0,15,20,inf,25;inf,15,0,10,20,inf;,40,20,10,0,10,25;25,inf,20,10,0,55;10,25,inf,25,55,0;,D,path=floyd(a),运行便可输出结果。,引例2Matlab求解,第16页,16,运行输出结果：,D=,0 35 45 35 25 10,35 0 15 20 30 25,45 15 0 10 20 35,35 20 10 0 10 25,25 30 20 10 0 35,10 25 35 25 35 0,path=,1 6 5 5 5 6,6 2 3 4 4 6,5 2 3 4 5 4,5 2 3 4 5 6,1 4 3 4 5 1,1 2 4 4 1 6,D便是最廉价航费表，要求飞行路线，由path矩阵能够得到，比如2到5路线：path(2,5)=4,path(4,5)=5,所以，应为24 5,第17页,17,假设图有 n 个顶点，现需要求从顶点1到顶点n最短路径.,最短路径问题0-1规划模型,设决议变量为x,ij,当顶点1至顶点n路上含弧(i,j)时，x,ij,=1；不然x,ij,=0.其数学规划表示式为,第18页,18,最短路径问题0-1规划模型,例,（有向图最短路问题）在下列图中，用点表示城市，现有 共7个城市.点与点之间连线表示城市间有道路相连.连线旁数字表示道路长度.现计划从城市,到城市,铺设一条天然气管道，请设计出最小价格管道铺设方案.,本质是求从城市 到城市 一条最短路,第19页,19,最短路径问题0-1规划模型,解：,写出对应LINGO程序，,MODEL:,1!We have a network of 7 cities.We want to find,2 the length of the shortest route from city 1 to city 7;,3,4sets:,5 !Here is our primitive set of seven cities;,6 cities/A,B1,B2,C1,C2,C3,D/;,7,8 !The Derived set roads lists the roads that,9 exist between the cities;,第20页,20,最短路径问题0-1规划模型,10 roads(cities,cities)/,11 A,B1 A,B2 B1,C1 B1,C2 B1,C3 B2,C1 B2,C2 B2,C3,12 C1,D C2,D C3,D/:w,x;,13 endsets,14,15 data:,16 !Here are the distances that correspond,17 to above links;,18 w=2 4 3 3 1 2 3 1 1 3 4;,19 enddata,第21页,21,最短路径问题0-1规划模型,20,21 n=size(cities);!The number of cities;,22 min=sum(roads:w*x);,23 for(cities(i)|i#ne#1#and#i#ne#n:,24 sum(roads(i,j):x(i,j)=sum(roads(j,i):x(j,i);,25 sum(roads(i,j)|i#eq#1:x(i,j)=1;,END,第22页,22,最短路径问题0-1规划模型,在上述程序中，21句中n=size(cities)是计算集cities个数，这里计算结果是 ,这么编写方法目标在于提升程序通用性.22句表示目标函数,即求道路最小权值.23,24句表示约束中 情况，即最短路中中间点约束条件.25句表示约束中 情况，即最短路中起点约束.,约束中 情况，也就是最短路中终点情况，没有列在程序中，因为终点约束方程与前个方程相关.当然，假如你将此方程列入到LINGO程序中，计算时也不会出现任何问题，因为LINGO软件能够自动删除描述线性规划可行解中多出方程.,第23页,23,最短路径问题0-1规划模型,LINGO软件计算结果（仅保留非零变量）以下,Global optimal solution found at iteration:0,Objective value:6.000000,Variable Value Reduced Cost,X(A,B1)1.000000 0.000000,X(B1,C1)1.000000 0.000000,X(C1,D)1.000000 0.000000,即最短路是 ,最短路长为,6,个单位,.,第24页,24,最短路径问题0-1规划模型,例,（无向图最短路问题）求下列图中 到 最短路.,本例是处理无向图最短路问题，在处理方式上与有向图最短路有一些差异.,第25页,25,最短路径问题0-1规划模型,解：,对于无向图最短路问题，能够这么了解，从点 到点 和点 到点 边看成有向弧，其它各条边均看成有不一样方向双弧，所以，能够按照前面介绍有向图最短路问题来编程序，但按照这种方法编写LINGO程序相当于边（弧）增加了一倍.这里选择邻接矩阵和赋权矩阵方法编写LINGO程序.,MODEL:,1 sets:,2 cities/1.11/;,3 roads(cities,cities):p,w,x;,4 endsets,第26页,26,最短路径问题0-1规划模型,5 data:,6 p=0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0,7 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0,8 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0,9 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0,10 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0,11 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0,12 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0,13 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1,14 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1,15 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1,16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;,第27页,27,最短路径问题0-1规划模型,17 w=0 2 8 1 0 0 0 0 0 0 0,18 2 0 6 0 1 0 0 0 0 0 0,19 8 6 0 7 5 1 2 0 0 0 0,20 1 0 7 0 0 0 9 0 0 0 0,21 0 1 5 0 0 3 0 2 9 0 0,22 0 0 1 0 3 0 4 0 6 0 0,23 0 0 2 9 0 4 0 0 3 1 0,24 0 0 0 0 2 0 0 0 7 0 9,25 0 0 0 0 9 6 3 7 0 1 2,26 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 4,27 0 0 0 0 0 0 0 9 2 4 0;,28 enddata,第28页,28,最短路径问题0-1规划模型,29n=size(cities);,30min=sum(roads:w*x);,31for(cities(i)|i#ne#1#and#i#ne#n:,32 sum(cities(j):p(i,j)*x(i,j),33 =sum(cities(j):p(j,i)*x(j,i);,34sum(cities(j):p(1,j)*x(1,j)=1;,END,第29页,29,最短路径问题0-1规划模型,在上述程序中,，第,6,行到第,16,行给出了图邻接矩阵 ，到 和 到 边按单向计算，其余边双向计算,.,第17行到第27行给出了图赋权矩阵 ,注意：因为有了邻接矩阵 ，两点无道路连接时，权值能够定义为0.其它处理方法基本上与有向图相同.,用LINGO软件求解，得到（仅保留非零变量）,Global optimal solution found at iteration:2 0,Objective value:13.00000,第30页,30,最短路径问题0-1规划模型,Variable Value Reduced Cost,X(1,2)1.000000 0.000000,X(2,5)1.000000 0.000000,X(3,7)1.000000 0.000000,X(5,6)1.000000 0.000000,X(6,3)1.000000 0.000000,X(7,10)1.000000 0.000000,X(9,11)1.000000 0.000000,X(10,9)1.000000 0.000000,即最短路径为,最短路长度为13,.,第31页,31,