Giáo trình toán rời rạc - Chương 5: MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRÊN ĐỒ THỊ

Trong đời sống, chúng ta thường gặp những tình huống như sau: để đi từ địa điểm A đến địa điểm B trong thành phố, có nhiều đường đi, nhiều cách đi; có lúc ta chọn đường đi ngắn nhất (theo nghĩa cự ly), có lúc lại cần chọn đường đi nhanh nhất (theo nghĩa thời gian) và có lúc phải cân nhắc để chọn đường đi rẻ tiền nhất (theo nghĩa chi phí), v.v...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình toán rời rạc - Chương 5: MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRÊN ĐỒ THỊ CHƯƠNG V MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRÊN ĐỒ THỊ5.1. ĐỒ THỊ CÓ TRỌNG SỐ VÀ BÀI TOÁN ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT.5.1.1. Mở đầu: Trong đời sống, chúng ta thường gặp những tình huống như sau: để đi từ địađiểm A đến địa điểm B trong thành phố, có nhiều đường đi, nhiều cách đi; có lúc tachọn đường đi ngắn nhất (theo nghĩa cự ly), có lúc lại cần chọn đường đi nhanh nhất(theo nghĩa thời gian) và có lúc phải cân nhắc để chọn đường đi rẻ tiền nhất (theo nghĩachi phí), v.v... Có thể coi sơ đồ của đường đi từ A đến B trong thành phố là một đồ thị, với đỉnhlà các giao lộ (A và B coi như giao lộ), cạnh là đoạn đường nối hai giao lộ. Trên mỗicạnh của đồ thị này, ta gán một số dương, ứng với chiều dài của đoạn đường, thời gianđi đoạn đường hoặc cước phí vận chuyển trên đoạn đường đó, ... Đồ thị có trọng số là đồ thị G=(V,E) mà mỗi cạnh (hoặc cung) e∈E được gán bởimột số thực m(e), gọi là trọng số của cạnh (hoặc cung) e. Trong phần này, trọng số của mỗi cạnh được xét là một số dương và còn gọi làchiều dài của cạnh đó. Mỗi đường đi từ đỉnh u đến đỉnh v, có chiều dài là m(u,v), bằngtổng chiều dài các cạnh mà nó đi qua. Khoảng cách d(u,v) giữa hai đỉnh u và v là chiềudài đường đi ngắn nhất (theo nghĩa m(u,v) nhỏ nhất) trong các đường đi từ u đến v. Có thể xem một đồ thị G bất kỳ là một đồ thị có trọng số mà mọi cạnh đều cóchiều dài 1. Khi đó, khoảng cách d(u,v) giữa hai đỉnh u và v là chiều dài của đường đi từu đến v ngắn nhất, tức là đường đi qua ít cạnh nhất.5.1.2. Bài toán tìm đường đi ngắn nhất: Cho đơn đồ thị liên thông, có trọng số G=(V,E). Tìm khoảng cách d(u0,v) từ mộtđỉnh u0 cho trước đến một đỉnh v bất kỳ của G và tìm đường đi ngắn nhất từ u0 đến v. Có một số thuật toán tìm đường đi ngắn nhất; ở đây, ta có thuật toán do E.Dijkstra, nhà toán học người Hà Lan, đề xuất năm 1959. Trong phiên bản mà ta sẽ trìnhbày, người ta giả sử đồ thị là vô hướng, các trọng số là dương. Chỉ cần thay đổi đôi chútlà có thể giải được bài toán tìm đường đi ngắn nhất trong đồ thị có hướng. Phương pháp của thuật toán Dijkstra là: xác định tuần tự đỉnh có khoảng cáchđến u0 từ nhỏ đến lớn. Trước tiên, đỉnh có khoảng cách đến a nhỏ nhất chính là a, với d(u0,u0)=0. Trongcác đỉnh v ≠ u0, tìm đỉnh có khoảng cách k1 đến u0 là nhỏ nhất. Đỉnh này phải là mộttrong các đỉnh kề với u0. Giả sử đó là u1. Ta có: d(u0,u1) = k1. 67Trong các đỉnh v ≠ u0 và v ≠ u1, tìm đỉnh có khoảng cách k2 đến u0 là nhỏ nhất. Đỉnhnày phải là một trong các đỉnh kề với u0 hoặc với u1. Giả sử đó là u2. Ta có: d(u0,u2) = k2.Tiếp tục như trên, cho đến bao giờ tìm được khoảng cách từ u0 đến mọi đỉnh v của G.Nếu V={u0, u1, ..., un} thì: 0 = d(u0,u0) < d(u0,u1) < d(u0,u2) < ... < d(u0,un).5.1.3. Thuật toán Dijkstra:procedure Dijkstra (G=(V,E) là đơn đồ thị liên thông, có trọng số với trọng số dương) {G có các đỉnh a=u0, u1, ..., un=z và trọng số m(ui,uj), với m(ui,uj) = ∞ nếu (ui,uj) không là một cạnh trong G} for i := 1 to n L(ui) := ∞ L(a) := 0 S := V \ {a} u := a while S ≠ ∅ begin for tất cả các đỉnh v thuộc S if L(u) +m(u,v) < L(v) then L(v) := L(u)+m(u,v) u := đỉnh thuộc S có nhãn L(u) nhỏ nhất {L(u): độ dài đường đi ngắn nhất từ a đến u} S := S \ {u} endThí dụ 1: Tìm khoảng cách d(a,v) từ a đến mọi đỉnh v và tìm đường đi ngắn nhất từ ađến v cho trong đồ thị G sau. 4 6 b c d 1 2 2 1 2 2 3 3 4 3 a e g h 1 5 5 2 3 n m k 3 6 68 L(a) L(b) L(c) L(d) L(e) L(g) L(h) L(k) L(m) L(n) ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 0 − ∞ ∞ ∞ ∞ 3 1 ∞ 3 2 − − ∞ ∞ ∞ ∞ 5 2 3 2 − − ∞ ∞ ∞ − 5 ∞ 2 3 − ∞ ∞ − − ∞ − ...