Mở đầu: 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. Có thể coi sơ đồ của đường đi từ A đến B trong thành phố là một đồ thị, với đỉnh là các giao lộ (A và B coi như giao lộ), cạnh là đoạn đường nối hai giao lộ. Trên mỗi cạnh của đồ thị này, ta gán một số dương, ứng với chiều dài của đoạn đường, thời gian đi 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 bởi một 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 là chiều dài của cạnh đó. Mỗi đường đi từ đỉnh u đến đỉnh v, có chiều dài là m(u,v), bằng tổng chiều dài các cạnh mà nó đi qua. Khoảng cách d(u,v) giữa hai đỉnh u và v là chiều dài 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 có chiều dài 1.
Khi đó, khoảng cách d(u,v) giữa hai đỉnh u và v là chiều dài của đường đi từ u đến v ngắn nhất, tức là đường đi qua ít cạnh nhất. 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 một đỉnh 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 trình bày, người ta giả sử đồ thị là vô hướng, các trọng số là dương. Chỉ cần thay đổi đôi chút là 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 cách đến u0 từ nhỏ đến lớn.
Trước tiên, đỉnh có khoảng cách đến a nhỏ nhất chính là a, với d(u0,u0)=0. Trong các đỉnh v ≠ u0, tìm đỉnh có khoảng cách k1 đến u0 là nhỏ nhất. Đỉnh này phải là một trong các đỉnh kề với u0. Giả sử đó là u1.
Toán rời rạc - Nguyễn Gia Định 67 Trong các đỉnh v ≠ u0 và v ≠ u1, tìm đỉnh có khoảng cách k2 đến u0 là nhỏ nhất. Đỉnh này phải là một trong các đỉnh kề với u0 hoặc với u1. Giả sử đó là u2. Tiếp tục như trên, cho đến bao giờ tìm được khoảng cách từ u0 đến mọi đỉnh v của G.
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} end Thí dụ 1: Tìm khoảng cách d(a,v) từ a đến mọi đỉnh v và tìm đường đi ngắn nhất từ a đến v cho trong đồ thị G sau. b 4 c 6 d 1 1 2 2 2 2 3 4 3 a e g h 3 2 3 5 5 1 n m k 6 3 Toán rời rạc - Nguyễn Gia Định 68 L(a) L(b) L(c) L(d) L(e) L(g) L(h) L(k) L(m) L(n) 0 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ − 1 ∞ ∞ 3 ∞ ∞ ∞ 3 2 − − 5 ∞ 2 ∞ ∞ ∞ 3 2 − − 5 ∞ 2 ∞ ∞ ∞ 3 − − − 4 ∞ − 6 ∞ ∞ 3 − − − 4 ∞ − 6 ∞ 6 − − − − − 10 − 6 ∞ 6 − − − − − 8 − − 9 6 − − − − − 8 − − 7 − − − − − − 8 − − − − − − 5. Định lý: Thuật toán Dijkstra tìm được đường đi ngắn nhất từ một đỉnh cho trước đến một đỉnh tuỳ ý trong đơn đồ thị vô hướng liên thông có trọng số. Chứng minh: Định lý được chứng minh bằng quy nạp.
Tại bước k ta có giả thiết quy nạp là: (i) Nhãn của đỉnh v không thuộc S là độ dài của đường đi ngắn nhất từ đỉnh a tới đỉnh này; (ii) Nhãn của đỉnh v trong S là độ dài của đường đi ngắn nhất từ đỉnh a tới đỉnh này và đường đi này chỉ chứa các đỉnh (ngoài chính đỉnh này) không thuộc S. Khi k=0, tức là khi chưa có bước lặp nào được thực hiện, S=V \ {a}, vì thế độ dài của đường đi ngắn nhất từ a tới các đỉnh khác a là ∞ và độ dài của đường đi ngắn nhất từ a tới chính nó bằng 0 (ở đây, chúng ta cho phép đường đi không có cạnh). Do đó bước cơ sở là đúng. Giả sử giả thiết quy nạp là đúng với bước k.
Gọi v là đỉnh lấy ra khỏi S ở bước lặp k+1, vì vậy v là đỉnh thuộc S ở cuối bước k có nhãn nhỏ nhất (nếu có nhiều đỉnh có nhãn nhỏ nhất thì có thể chọn một đỉnh nào đó làm v). Từ giả thiết quy nạp ta thấy rằng Toán rời rạc - Nguyễn Gia Định 69 trước khi vào vòng lặp thứ k+1, các đỉnh không thuộc S đã được gán nhãn bằng độ dài của đường đi ngắn nhất từ a. Đỉnh v cũng vậy phải được gán nhãn bằng độ dài của đường đi ngắn nhất từ a. Nếu điều này không xảy ra thì ở cuối bước lặp thứ k sẽ có đường đi với độ dài nhỏ hơn Lk(v) chứa cả đỉnh thuộc S (vì Lk(v) là độ dài của đường đi ngắn nhất từ a tới v chứa chỉ các đỉnh không thuộc S sau bước lặp thứ k).
Gọi u là đỉnh đầu tiên của đường đi này thuộc S. Đó là đường đi với độ dài nhỏ hơn Lk(v) từ a tới u chứa chỉ các đỉnh không thuộc S. Điều này trái với cách chọn v. Do đó (i) vẫn còn đúng ở cuối bước lặp k+1.
Gọi u là đỉnh thuộc S sau bước k+1. Đường đi ngắn nhất từ a tới u chứa chỉ các đỉnh không thuộc S sẽ hoặc là chứa v hoặc là không. Nếu nó không chứa v thì theo giả thiết quy nạp độ dài của nó là Lk(v). Nếu nó chứa v thì nó sẽ tạo thành đường đi từ a tới v với độ dài có thể ngắn nhất và chứa chỉ các đỉnh không thuộc S khác v, kết thúc bằng cạnh từ v tới u.
Khi đó độ dài của nó sẽ là Lk(v)+m(v,u). Điều đó chứng tỏ (ii) là đúng vì Lk+1(u)=min(Lk(u), Lk(v)+m(v,u)). Mệnh đề: Thuật toán Dijkstra tìm đường đi ngắn nhất từ một đỉnh cho trước đến một đỉnh tuỳ ý trong đơn đồ thị vô hướng liên thông có trọng số có độ phức tạp là O(n2). Chứng minh: Thuật toán dùng không quá n−1 bước lặp.
Trong mỗi bước lặp, dùng không hơn 2(n−1) phép cộng và phép so sánh để sửa đổi nhãn của các đỉnh. Ngoài ra, một đỉnh thuộc Sk có nhãn nhỏ nhất nhờ không quá n−1 phép so sánh. Do đó thuật toán có độ phức tạp O(n2). Thuật toán Floyd: Cho G=(V,E) là một đồ thị có hướng, có trọng số.
Để tìm đường đi ngắn nhất giữa mọi cặp đỉnh của G, ta có thể áp dụng thuật toán Dijkstra nhiều lần hoặc áp dụng thuật toán Floyd được trình bày dưới đây., vn} và có ma trận trọng số là W ≡ W0. Thuật toán Floyd xây dựng dãy các ma trận vuông cấp n là Wk (0 ≤ k ≤ n) như sau: procedure Xác định Wn for i := 1 to n for j := 1 to n W[i,j] := m(vi,vj) {W[i,j] là phần tử dòng i cột j của ma trận W0} for k := 1 to n if W[i,k] +W[k,j] < W[i,j] then W[i,j] := W[i,k] +W[k,j] {W[i,j] là phần tử dòng i cột j của ma trận Wk} 5. Định lý: Thuật toán Floyd cho ta ma trận W*=Wn là ma trận khoảng cách nhỏ nhất của đồ thị G. Toán rời rạc - Nguyễn Gia Định 70 Chứng minh: Ta chứng minh bằng quy nạp theo k mệnh đề sau: Wk[i,j] là chiều dài đường đi ngắn nhất trong những đường đi nối đỉnh vi với đỉnh vj đi qua các đỉnh trung gian trong {v1, v2,.
Trước hết mệnh đề hiển nhiên đúng với k=0. Giả sử mệnh đề đúng với k-1. Có hai trường hợp: 1) Trong các đường đi chiều dài ngắn nhất nối vi với vj và đi qua các đỉnh trung gian trong {v1, v2, ., vk}, có một đường đi γ sao cho vk ∉ γ. Khi đó γ cũng là đường đi ngắn nhất nối vi với vj đi qua các đỉnh trung gian trong {v1, v2, ., vk-1}, nên theo giả thiết quy nạp, Wk-1[i,j] = chiều dài γ ≤ Wk-1[i,k]+Wk-1[k,j].
Do đó theo định nghĩa của Wk thì Wk[i,j]=Wk-1[i,j]. 2) Mọi đường đi chiều dài ngắn nhất nối vi với vj và đi qua các đỉnh trung gian trong {v1, v2, ., vk}, đều chứa vk. vj là một đường đi ngắn nhất như thế thì v1. vk và vk.
vj cũng là những đường đi ngắn nhất đi qua các đỉnh trung gian trong {v1, v2, ., vk-1} và Wk-1[i,k]+Wk-1[k,j] = chiều dài(v1. vk) + chiều dài(vk. vj) = chiều dài γ < Wk-1[i,j]. Do đó theo định nghĩa của Wk thì ta có: Wk[i,j] = Wk-1[i,k]+Wk-1[k,j] .