الگوریتم دایکسترا
در نظریه گراف، الگوریتم دایکسترا یکی از الگوریتم‌های پیمایش گراف است که توسط دانشمند هلندی علوم رایانه، اِدْسْخِر دیْکْسْترا در سال ۱۹۵۹ ارائه شد.
این الگوریتم یکی از الگوریتم‌های پیمایش گراف است که مسئلهٔ کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ واحد را برای گراف‌های وزن‌داری که یال با وزن منفی ندارند، حل می‌کند و در نهایت با ایجاد درخت کوتاه‌ترین مسیر، کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ به همهٔ رأس‌های گراف را به دست می‌دهد. همچنین می‌توان از این الگوریتم برای پیدا کردن کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ تا رأس مقصد به این ترتیب بهره جست که در حین اجرای الگوریتم به محض پیداشدن کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ به مقصد، الگوریتم را متوقف کرد.
الگوریتم دایکسترا یکی از الگوریتم‌های مورد استفاده برای محاسبه کوتاه‌ترین مسیر تک منبع (single-source shortest path) است و مشابه الگوریتم پریم می‌باشد در صورتی که گراف یال با وزن منفی داشته باشد، این الگوریتم درست کار نمی‌کند و می‌بایست از الگوریتم‌های دیگر نظیر الگوریتم بلمن-فورد که پیچیدگی زمانی آن‌ها بیشتر است استفاده کنیم.
خط مشی الگوریتم دایکسترا، مشابه با روش حریصانهٔ استفاده شده در الگوریتم پریم برای پیدا کردن زیر درخت فراگیر بهینه است.
نام این الگوریتم بر اساس نام ارائه‌دهنده هلندی آن، یعنی اِدسخِر دایکسترا انتخاب شده‌است. در منابع فارسی آن را به شکل‌های دِیکسترا، دکسترا، دایکسترا، دایجسترا، دیجسترا، دایجکسترا و دیجکسترا هم نوشته شده‌است، ولی جیمِ آن در تلفظ هلندی آن تلفظ نمی‌شود، لذا دو مورد اول صحیح هستند.
"روند الگوریتم دایکسترا" مطابق زیر می‌باشد:
۱- انتخاب راس مبدا
۲- مجموعهٔ S، شامل رئوس گراف، معین می‌شود. در شروع، این مجموعه تهی بوده و با پیشرفت الگوریتم، این مجموعه رئوسی که کوتاه‌ترین مسیر به آن‌ها یافت شده‌است را در بر می‌گیرد.
۳- راس مبدأ با اندیس صفر را در داخل S قرار می‌دهد.
۴- برای رئوس خارج از S، اندیسی معادل، طول یال + اندیس راس قبلی، در نظر می‌گیرد. اگر راس خارج از مجموعه دارای اندیس باشد، اندیس جدید کمترین مقدار از بین اندیس قبلی و طول یال + اندیس راس قبل، می‌باشد.
۵- از رئوس خارج مجموعه، راسی با کمترین اندیس انتخاب شده و به مجموعهٔ S اضافه می‌گردد.
۶- این کار را دوباره از مرحلهٔ ۴ ادامه داده تا راس مقصد وارد مجموعهٔ S شود.
در پایان اگر راس مقصد دارای اندیس باشد، اندیس آن نشان دهندهٔ مسافت بین مبدأ و مقصد می‌باشد. در غیر این صورت هیچ مسیری بین مبدأ و مقصد موجود نمی‌باشد.
همچنین برای پیدا کردن مسیر می‌توان اندیس دیگری برای هر راس در نظر گرفت که نشان دهندهٔ راس قبلی در مسیر طی شده باشد. بدین ترتیب پس از پایان اجرای الگوریتم، با دنبال کردن رئوس قبلی از مقصد به مبدا، کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه نیز یافت می‌شود.
در حین اجرای الگوریتم دو چیز به‌طور ضمنی نگهداری می‌شود. یکی مجموعهٔ formula_1 از رأس‌هایی که وزن کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ تا آن‌ها مشخص شده و دیگری دنبالهٔ formula_2 که برای هر رأس formula_3، مقدار formula_4 برابر وزن کوتاه‌ترین مسیر از مبدأ تا formula_3 است به شرطی که تمام رأس‌های این مسیر به جز formula_3 از رئوس داخل formula_1 باشند. formula_1 در ابتدا تهی و مقادیر formula_2 برای همهٔ رئوس به غیر از مبدأ بی‌نهایت است و مقدار آن برای مبدأ صفر گذاشته می‌شود. الگوریتم در هر مرحله رأسی خارج formula_1 را که formula_2 برای آن کمترین است انتخاب و به مجموعهٔ formula_1 اضافه می‌کند و سپس مقادیر formula_2 را برای رئوس همسایهٔ آن رأس به‌روز می‌نماید. در صورتی که نیاز به تشکیل درخت کوتاه‌ترین مسیر باشد، الگوریتم می‌بایست دنبالهٔ formula_14 را که formula_15 پدر رأس formula_3 در درخت کوتاه‌ترین مسیر است، به همراه دنبالهٔ formula_2 به‌روز کند.
در پیاده‌سازی، برای اینکه مشخص کنیم چه رئوسی در مجموعهٔ formula_1 هستند، در هر مرحله رأسِ وارد شده به formula_1 را برچسب می‌زنیم.
یک پیاده‌سازی نوعی به این شرح است:
در ساده‌ترین پیاده‌سازی الگوریتمِ دایکسترا، داده‌ها در آرایه یا لیست پیوندی ذخیره می‌شوند که بدین ترتیب مینیمم مقدار formula_2 برای رئوس خارج formula_1 با الگوریتمی خطی یافت می‌شود. در این حالت پیچیدگی زمانی formula_32 خواهد بود، چراکه در گراف بدون جهت هر یال دقیقاً دو بار و در گراف جهت‌دار هر یال دقیقاً یک بار پیمایش می‌شود و هم‌چنین پیدا کردن مینیمم، formula_33 زمان می‌خواهد که این مینیمم پیدا کردن formula_34 بار تکرار خواهد شد.
الگوریتم دایکسترا با نگهداری گراف در فهرست مجاورت و استفاده از هرم دودویی یا درخت جستجوی دودویی خود-متوازن (برای پیدا کردن مینیمم) با پیچیدگی زمانی formula_35 پیاده‌سازی می‌شود. در صورت استفاده از هیپ فیبوناتچی به جای صف اولویت‌دار، پیچیدگی زمانی با آنالیز استهلاکی (Amortized analysis) به formula_36 بهبود می‌یابد.
از جمله مهم‌ترین کاربردهای این روش می‌توان به محاسبهٔ کوتاه‌ترین فاصلهٔ دو نقطه در یک شهر از طریق راه‌های زمینی اشاره نمود. برای محاسبهٔ کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه باید نقاط مورد نظر در یک نقشه را علامت‌گذاری کرد و با استفاده از مشخصات نقاط (طول، عرض و ارتفاع) فاصلهٔ دو نقطه را در هر بار عملیات محاسبه نمود. توجه داریم که در ترافیک سرعت خودروها به شدت پایین آمده و این امر می‌تواند در انتخاب کوتاه‌ترین مسیر تأثیرگذار باشد چرا که ممکن است بین دو نقطه a,b راه‌های ۱و۲ موجود باشد که راه ۱ اتوبان و از خارج شهر و راه ۲ از داخل شهر عبور می‌کند. فرض کنید فاصلهٔ a,b از طریق راه ۱ حدود ۱۰ کیلومتر و از طریق راه ۲ حدود ۷ کیلومتر باشد ولی راه ۲ علی رقم فاصلهٔ کمتر دارای ترافیک سنگین است در نتیجه می‌توان انتظار داشت که در ساعات شلوغی استفاده از راه ۱ بهتر باشد. از آن جا که اساس محاسبات در این روش بر پایهٔ فاصله بین دو نقطه است می‌توان کاهش سرعت را با افزایش فواصل هم ارز نمود چرا که اگر رابطهٔ سرعت و فاصله را خطی در نظر بگیریم (D=V.T)تاثیر کاهش سرعت و افزایش مسافت یکسان است. از این رو لازم است تا ضرایب تعدیلی در فواصل بین نقاط ضرب شده و این مسائل را در محاسبات لحاظ کرد. از جمله مهم‌ترین این ضرایب می‌توان به ۳ مورد زیر اشاره نمود: ۱-ضریب ترافیک و شلوغی ۲-ضریب عرض معبر ۳-ضریب شیب که نشانگر افت سرعت در سر بالایی هااست. گرچه تعیین این ضرایب برای نقاط مختلف شهر نیازمند کارشناسان متخصص ترافیک و بررسی‌های آماری دقیق می‌باشد ولی می‌توان انتظار داشت که در اکثر موارد این ضرایب بین مقادیر ۱ تا ۲ بسته به شرایط تغییر کنند.