ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด

ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด (Bellman-Ford Algorithm) เป็นขั้นตอนวิธีที่ใช้ในการแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวสำหรับเส้นเชื่อมที่มีน้ำหนักใดๆ นอกจากนี้ขั้นตอนวิธียังสามารถตรวจพบวัฏจักรที่มีน้ำหนักรวมของเส้นเชื่อมเป็นลบ หรือที่เรียกว่าวัฏจักรเชิงลบ (Negative cycle) ซึ่งทำให้ปัญหาวิถีสั้นสุดไม่นิยาม ขั้นตอนวิธีนี้ถูกคิดค้นโดยนักพัฒนาชื่อริชาร์ด เบลแมน (Richard Bellman) และเลสเตอร์ ฟอร์ด จูเนียร์ (Lester Ford Jr)

**แนวคิด**
ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ดนั้นมีแนวคิดดังนี้- ใช้ได้กับกราฟที่มีน้ำหนักของเส้นเชื่อมทั้งบวกและลบ แต่ไม่สามารถใช้ได้กับกราฟที่มีวงจรเชิงลบ- กรณีที่ในกราฟนั้นมีวงจรเชิงลบจะแจ้งให้ผู้ใช้ทราบ- ใช้กำหนดการพลวัต- วิถีสั้นสุดจาก s ไป t ต้องไม่ผ่านปมซ้ำ และมีเส้นเชื่อมในวิถีอย่างมาก |v|-1 เส้น เมื่อ v แทนเส้นเชื่อมทั้งหมดในกราฟนั้น

**ขั้นตอนวิธี**
ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ดนั้นอยู่ในโครงสร้างพื้นฐานที่คล้ายกับขั้นตอนวิธีของไดค์สตรา โดยมีอัตราการเติบโตของการทำงานเป็น "O(|V
คือจำนวนปมและเส้นเชื่อมของกราฟนั้นๆ ตามลำดับ
เริ่มต้นพิจารณาจากแนวคิดพื้นฐานง่ายๆว่าเส้นทางที่สั้นที่สุดที่ไปยังปมทั้งหมดนั้นเป็นอนันต์ จากนั้นทำสัญลักษณ์ว่าได้ความยาวของเส้นทางเป็นศูนย์ ดังภาพ
จากนั้นพยายามเดินไปตามเส้นทางในทุกเส้นเชื่อมของกราฟระบุทิศทาง ถ้าพบว่าเมื่อไปตามเส้นเชื่อมนั้นแล้วตึงก็ให้พยายามที่จะผ่อนมัน
การผ่อนเส้นเชื่อมของกราฟ หมายถึง การตรวจสอบเพื่อดูว่าเส้นทางที่ไปยังปมนั้นไม่สามารถสั้นลงได้(เมื่อดูจากน้ำหนักของแต่ละเส้นเชื่อม) จากตัวอย่างกราฟข้างต้น เริ่มแรกเมื่อตรวจสอบที่เส้นทางจากปมที่ 1 ไปยังปมที่ 2 พบว่ามีน้ำหนักเส้นเชื่อมคือ 6 ซึ่งเป็นความยาวของเส้นทางที่สั้นที่สุดจากปมที่ 1 ไปยังปมที่ 2 ที่มีค่าน้อยกว่าอนันต์ ดังนั้นจึงแทนค่าอนันต์ในปมที่ 2 ด้วย 6 และเมื่อพิจารณาเส้นทางจากปมที่ 1 ไปยังปมที่ 4 พบว่ามีน้ำหนักเส้นเชื่อมคือ 7 ซึ่งเป็นความยาวของเส้นทางที่สั้นที่สุดจากปมที่ 1 ไปยังปมที่ 4 ที่มีค่าน้อยกว่าอนันต์ ดังนั้นจึงแทนค่าอนันต์ในปมที่ 4 ด้วย 7
ทำตามขั้นตอนนี้ไปเรื่อนๆเป็นจำนวน n - 1 ครั้ง เมื่อ n แทนจำนวนปมทั้งหมดในกราฟที่พิจารณา ดังนั้นในตัวอย่างนี้จะต้องใช้ขั้นตอนดังกล่างนี้ 4 ครั้ง ดังภาพ

**รหัสเทียม**
ข้อมูลนำเข้า คือ กราฟระบุทิศทางที่เส้นเชื่อมมีน้ำหนักที่มี v ปม
ข้อมูลส่งออก คือ ป้าย Du สำหรับปม u ใดๆบนกราฟ โดย Du คือระยะทางจากปม v ถึงปม u บนกราฟ ซึ่งกราฟนี้ต้องไม่มีวงจรเชิงลบ
1 กำหนดให้ Dv มีค่าเท่ากับ 0
2 ตั้งแต่ แต่ละปม u ไม่เท่ากับปม v ในกราฟ G
3     กำหนดให้ Du มีค่าเป็นอนันต์
4 ตั้งแต่ i := 1 ถึง n-1
5     ตั้งแต่ ทุกเส้นเชื่อมที่ออกจากปม z
6         ถ้า (Du+w(u,z))<Dz
7             จะให้ Dzเก็บค่า Du+w(u,z) //w(u,z) คือการดำเนินการของการผ่อนเส้นเชื่อมกราฟ
8         ถ้าไม่มีเส้นเชื่อมใดเลยที่ถูกผ่อน
9             จะคืนค่าระยะทางจากปม v ถึงปม u ของแต่ละปม u
10        ไม่เช่นนั้น
11            จะคืนกลับมาว่า"กราฟนี้มีวงจรเชิงลบ"

**การวิเคราะห์อัตราการเติบโต**
จากรหัสเทียมข้างต้นจะพบว่าการดำเนินการของขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ดนั้นจะมีการทำงานอยู่ 2 ส่วนหลัก คือ
# วงวนที่มีการวนเพื่อตรวจสอบความตึงของน้ำหนักเส้นเชื่อมในกราฟ ซึ่งจะทำงานเป็นเวลานานเท่าจำนวนเส้นเชื่อมที่มี ดังนั้น จะใช้เวลาในการทำงานส่วนนี้เป็น O(|E|) เมื่อ E คือจำนวนเส้นเชื่อมของกราฟหนึ่งๆ
# ส่วนการทำงานที่ต้องผ่านปมทุกปมในกราฟจะใช้เวลาทั้งหมดเป็น O(|V|) เมื่อ V คือจำนวนปมของกราฟหนึ่งๆ
เพราะฉะนั้นจึงสรุปได้ว่าชั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ดมีอัตราการเติบโตเท่ากับ O(|V
)

**การนำไปใช้งาน**
 วิถีสั้นสุดในกราฟมีทิศทาง- โพรโตคอลเลือกเส้นทางแบบตารางระยะทาง (RIP)

**ตัวอย่างรหัสในภาษาต่างๆ**
  C-  C++ date=2011-10-06 -  Java date=2013-02-17 -  PHP date=2011-09-12 -  Python

** ดูเพิ่ม**
  ULearn การออกแบบอัลกอริทึม (สมชาย ประสิทธิ์จูตระกูล)-  ภาพเคลื่อนไหว ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด-  Bellman-ford Algorithm E-leaning(Introduction to Algorithms)- ขั้นตอนวิธีของไดค์สตรา เป็นขั้นตอนวิธีที่ใช้ในการหาระยะทางเส้นทางสั้นสุดของคู่ปมใดๆ สำหรับกราฟที่มีความยาวของเส้นเชื่อมไม่เป็นลบ- ขั้นตอนวิธีของจอห์นสัน เป็นขั้นตอนวิธีที่ใช้หาเส้นทางสั้นที่สุดระหว่างทุกคู่จุด ในกราฟระบุทิศทางที่มีเส้นเชื่อมน้อย ขั้นตอนวิธีนี้สามารถใช้น้ำหนักของเส้นเชื่อมเป็นจำนวนลบได้ แต่ต้องไม่มีวงรอบที่น้ำหนักติดลบอยู่ด้วย- ขั้นตอนวิธีของฟลอยด์-วอร์แชล เป็นขั้นตอนวิธีการวิเคราะห์กราฟเพื่อที่จะหาระยะทางของเส้นทางสั้นสุดในกราฟที่มีน้ำหนักของเส้นเชื่อมเป็นบวก หรือ น้ำหนักของเส้นเชื่อมเป็นลบ แต่ไม่สามารถหาได้ถ้ามีวงจรลบ

**อ้างอิง**
  การออกแบบและวิเคราะห์อัลกอริทึม สมชาย ประสิทธิ์จูตระกูล -  Algorithm Design นัทที นิภานันท์  date=2010-07-29 -  Bellman-Ford_algorithm -  Computer Programming WebBlog -  Introduction to Algorithms-  Algorithm Design

**แหล่งข้อมูลอื่น**
  การออกแบบอัลกอริทึม (สมชาย ประสิทธิ์จูตระกูล)-  ULearn การออกแบบอัลกอริทึม (สมชาย ประสิทธิ์จูตระกูล)-  Algo Wikifix-attempted=yes 
หมวดหมู่:ขั้นตอนวิธีกราฟ
หมวดหมู่:ปัญหาฟังก์ชันพหุนาม
หมวดหมู่:กำหนดการพลวัต