Problema do Caminho Mais Curto. Problema do Caminho Mais Curto

Transcrição

1 Problema do Caminho Mais Curto " Podemos afectar pesos" aos arcos de um grafo, por exemplo, para representar uma distância entre cidades numa rede ferroviária: ria: Chicago Toronto 200 New York Boston 1 Problema do Caminho Mais Curto Shortest Path Problems Estes grafos ponderados podem ser usados para modelar redes de computadores com tempos de resposta, ou com custos de ligação. Uma das questões mais interessantes que podemos investigar com estes grafos é: Qual é o caminho mais curto entre dois vértices v no grafo, ou seja, o caminho com a soma mínima m de pesos? Isto corresponde à ligação mais rápida, r ou à ligação mais económica numa rede de computadores. 2

2 Problema do Caminho Mais Curto Algoritmos: Distância mais curta de um vértice v origem e todos os outros vértices v do grafo Dijkstra custos não negativos; O(n 2 ) Ford custos gerais (sem ciclos comprimento negativo) Algoritmo de Partição ão custos gerais; O(nm) (sem ciclos comprimento negativo) Distância mais curta entre todos os pares de vértices v do grafo Floyd custos gerais; O(n 3 ) (sem ciclos comprimento negativo) 3 Problema do Caminho Mais Curto Aplicações: Concepção de redes de comunicações Problemas de transporte Problemas de distribuição Substituição de equipamento Método do caminho crítico Dimensão dos lotes de produção Sub-problema de outros algoritmos (carteiro chinês, caixeiro viajante) 4

3 Problema do Caminho Mais Curto Substituição de equipamento: c ij O Algoritmo de Dijkstra O algoritmo de Dijkstra (rotulação permanente label setting algorithm) é um procedimento iterativo que determina o caminho mais curto entre um vértice v origem s e todos os outros vértices v do grafo. Associa um rótulo r a cada vértice, v que corresponde à distância mais curta entre o vértice v e a origem s. Os rótulos r são temporários, rios, e em cada iteração um rotúlo transforma-se se em rótulo r permanente, (encontrada a distância mais curta para esse vértice). v Faz uso da propriedade de não existir custos negativos. 6

4 O Algoritmo de Dijkstra Teorema: o algoritmo de Dijkstra determina correctamente a distância mais curta do vértice v s para cada um dos restantes vértices v do grafo. Prova: X S X v j Vértices com distância + curta encontrada V 1 v i V n t 7 Distância + curta de F a D O Algoritmo de Dijkstra 8

5 O Algoritmo de Dijkstra 9 O Algoritmo de Dijkstra 10

6 O Algoritmo de Dijkstra 11 O Algoritmo de Dijkstra 12

7 O Algoritmo de Dijkstra 13 O Algoritmo de Dijkstra 14

8 O Algoritmo de Dijkstra 15 O Algoritmo de Dijkstra 16

9 O Algoritmo de Dijkstra 17 O Algoritmo de Dijkstra 18

10 O Algoritmo de Dijkstra 19 O Algoritmo de Dijkstra 20

11 O Algoritmo de Dijkstra 21 O Algoritmo de Dijkstra 22

12 O Algoritmo de Ford Modelos com custos negativos não podem ser estudados pelo algoritmo de Dijkstra. Modelo do caminho mais longo. (caminho mais curto aplicado aos custos simétricos) Problema: ap após s a atribuição de uma distância pode ser descoberto outro caminho mais curto. Solução: necessário corrigir rótulo r e re-avaliar sucessores (algoritmo de correcção de rótulos r label correcting algorithms) 23 O Algoritmo de Ford 24

13 O Algoritmo de Ford 25 O Algoritmo de Ford 26

14 O Algoritmo de Ford 27 O Algoritmo de Ford 28

15 O Algoritmo de Ford 29 O Algoritmo de Ford 30

16 O Algoritmo de Ford 31 O Algoritmo de Ford 32

17 O Algoritmo de Ford 33 O Algoritmo de Ford 34

18 O Algoritmo de Ford v 1 s 5 4 v t v 3 35 O Algoritmo de Partição No algoritmo de Ford, um vértice v pode ser analisado mais do que uma vez. -> > Não é possível definir a complexidade polinomial do algoritmo. A prática revela um comportamento competitivo. Uma forma eficiente de manusear os vértices v do conjunto X consiste em particionar a lista em dois subconjuntos. Este procedimento estabelece um limite para o número n de iterações. Complexidade: Polinomial O(mn) 36

19 O Algoritmo de Partição 37 O Algoritmo de Partição 38