Belmana—Forda algoritms

Belmana—Forda algoritms ir algoritms īsākā ceļa meklēšanai starp doto un pārējām virsotnēm svērtos grafos. Atšķirībā no Deikstras algoritma Belmana—Forda algoritms pieļauj negatīvus šķautņu svarus, bet ir lēnāks, tāpēc parasti tiek izmantots, ja grafā ir šķautnes ar negatīviem svariem.

 Algoritma apraksts 

Dots svērts grafs  ar šķautņu svaru funkciju  un sākuma virsotni .

Izveidojams matricas , kas saturēs īsāko ceļu no  uz virsotni  caur  šķautnēm un , kas satur iepriekšējo virsotni šādā ceļā.
Matricā  vienīgais ceļš no , kas satur 0 šķautnes ir tikai līdz pašai  un tā garums ir 0. Tādējādi . Visu pārējo ceļu sākotnējās vērtības ir .

Algoritms ir sekojošs:
 for 
   for  to 
     do 

 for  to 
   do for 
     if 
       then 

Algoritma rezultātā matrica  satur īsākos ceļus no  uz virsotni  caur dažādiem šķautņu skaitiem . Pats īsākais ceļš starp  un  ir īsākais no tiem.
Kad noskaidrots pats īsākais ceļš caur  šķautnēm, pilnu ceļu masīvā  var iegūt šādi:
 while 



 return p
Ja nepieciešams noskaidrot tikai īsākā ceļa garumu un nav nepieciešams zināt visu ceļu izmantojams šāds algoritms:
 for 
  do 

 for  to 
  do for 

 return 
Šī algoritma rezultātā masīva  elements  saturēs īsākā ceļa garumu starp virsotnēm  un .

 Koda piemēri 

Belmana—Forda algoritma realizācija C
/* Bellman-Ford Implementation */
 #include <limits.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>

 /* Let INFINITY be an integer value not likely to be
   confused with a real weight, even a negative one. */
 #define INFINITY ((cin << 14)-1)

 typedef struct {
    int source;
    int dest;
    int weight;
 } Edge;

 void BellmanFord(Edge edges[], int edgecount, int nodecount, int source)
 {
    int *distance = (int*) malloc(nodecount * sizeof(*distance));
    int i, j;
    for (i=0; i < nodecount; i++)
      distance[i] = INFINITY;

    /* The source node distance is set to zero. */
    distance[source] = 0;

    for (i=0; i < nodecount; i++) {
        for (j=0; j < edgecount; j++) {
            if (distance[edges[j].source] != INFINITY) {
                int new_distance = distance[edges[j].source] + edges[j].weight;

                if (new_distance < distance[edges[j].dest])
                  distance[edges[j].dest] = new_distance;
            }
        }
    }

    for (i=0; i < edgecount; i++) {
        if (distance[edges[i].dest] > distance[edges[i].source] + edges[i].weight) {
            puts("Negative edge weight cycles detected!");
            free(distance);
            return;
        }
    }

    for (i=0; i < nodecount; i++) {
        printf("The shortest distance between nodes %d and %d is %d\n",
            source, i, distance[i]);
    }
    free(distance);
    return;
 }

 int main(void)
 {
    /* This test case should produce the distances 2, 4, 7, -2, and 0. */
    Edge edges[10] = {{0,1, 5}, {0,2, 8}, {0,3, -4}, {1,0, -2},
                      {2,1, -3}, {2,3, 9}, {3,1, 7}, {3,4, 2},
                      {4,0, 6}, {4,2, 7}};

    BellmanFord(edges, 10, 5, 4);

    return 0;
 }

 Pielietojums maršrutēšanā 
Distance-vector maršrutēšanas protokoli, piemēram, RIP izmanto dalīto (distributed) Belmana—Forda algoritmu. Par dalīto to sauc tāpēc, ka tajā iesaistīti vairāki maršrutētāju vienā autonomajā sistēmā. Algoritma realizācija ir šāda:
 katrs mezgls aprēķina attālumus starp sevi un citiem mezgliem un saglabā rezultātus tabulā;
 tabula tiek izsūtīta citiem mezgliem;
 saņemot tabulu, mezgls aprēķina īsākos maršrutus starp sevi un citiem mezgliem un izdara izmaiņas tabulā.

 Ārējās saites 
 Interaktīva grafu teotijas algoritmu demonstrācija (Java)

Kategorija:Grafu teorija