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bellman_ford之判断负权回路

95. 城市间货物运输 II

bellman_ford之单源有限最短路

96. 城市间货物运输 III

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bellman_ford之判断负权回路

95. 城市间货物运输 II

题目描述

某国为促进城市间经济交流，决定对货物运输提供补贴。共有 n 个编号为 1 到 n 的城市，通过道路网络连接，网络中的道路仅允许从某个城市单向通行到另一个城市，不能反向通行。

网络中的道路都有各自的运输成本和政府补贴，道路的权值计算方式为：运输成本 - 政府补贴。权值为正表示扣除了政府补贴后运输货物仍需支付的费用；权值为负则表示政府的补贴超过了支出的运输成本，实际表现为运输过程中还能赚取一定的收益。

然而，在评估从城市 1 到城市 n 的所有可能路径中综合政府补贴后的最低运输成本时，存在一种情况：图中可能出现负权回路。负权回路是指一系列道路的总权值为负，这样的回路使得通过反复经过回路中的道路，理论上可以无限地减少总成本或无限地增加总收益。为了避免货物运输商采用负权回路这种情况无限的赚取政府补贴，算法还需检测这种特殊情况。

请找出从城市 1 到城市 n 的所有可能路径中，综合政府补贴后的最低运输成本。同时能够检测并适当处理负权回路的存在。

城市 1 到城市 n 之间可能会出现没有路径的情况

输入描述

第一行包含两个正整数，第一个正整数 n 表示该国一共有 n 个城市，第二个整数 m 表示这些城市中共有 m 条道路。 

接下来为 m 行，每行包括三个整数，s、t 和 v，表示 s 号城市运输货物到达 t 号城市，道路权值为 v。

输出描述

如果没有发现负权回路，则输出一个整数，表示从城市 1 到城市 n 的最低运输成本（包括政府补贴）。如果该整数是负数，则表示实现了盈利。如果发现了负权回路的存在，则输出 "circle"。如果从城市 1 无法到达城市 n，则输出 "unconnected"。

本题是要我们判断 负权回路，也就是图中出现环且环上的边总权值为负数。

        如果在这样的图中求最短路的话， 就会在这个环里无限循环 （也是负数+负数 只会越来越小），无法求出最短路径。

        所以对于 在有负权值的图中求最短路，都需要先看看这个图里有没有负权回路。

        bellman_ford 算法的核心就是一句话：对 所有边 进行 n-1 次松弛。 同时文中的 【拓展】部分， 我们也讲了 松弛n次以上 会怎么样？

        在没有负权回路的图中，松弛 n 次以上 ，结果不会有变化。

        但本题有 负权回路，如果松弛 n 次，结果就会有变化了，因为 有负权回路 就是可以无限最短路径（一直绕圈，就可以一直得到无限小的最短距离）。那么每松弛一次，都会更新最短路径，所以结果会一直有变化。

        解决本题的 核心思路，就是在 kama94.城市间货物运输I 的基础上，再多松弛一次，看minDist数组 是否发生变化。

import java.util.*;

public class Main {
    // 基于Bellman_ford-SPFA方法
    // Define an inner class Edge
    static class Edge {
        int from;
        int to;
        int val;
        public Edge(int from, int to, int val) {
            this.from = from;
            this.to = to;
            this.val = val;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Input processing
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int n = sc.nextInt();
        int m = sc.nextInt();
        List<List<Edge>> graph = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i <= n; i++) {
            graph.add(new ArrayList<>());
        }

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int from = sc.nextInt();
            int to = sc.nextInt();
            int val = sc.nextInt();
            graph.get(from).add(new Edge(from, to, val));
        }

        // Declare the minDist array to record the minimum distance form current node to the original node
        int[] minDist = new int[n + 1];
        Arrays.fill(minDist, Integer.MAX_VALUE);
        minDist[1] = 0;

        // Declare a queue to store the updated nodes instead of traversing all nodes each loop for more efficiency
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(1);

        // Declare an array to record the times each node has been offered in the queue
        int[] count = new int[n + 1];
        count[1]++;

        // Declare a boolean array to record if the current node is in the queue to optimise the processing
        boolean[] isInQueue = new boolean[n + 1];

        // Declare a boolean value to check if there is a negative weight loop inside the graph
        boolean flag = false;

        while (!queue.isEmpty()) {
            int curNode = queue.poll();
            isInQueue[curNode] = false; // Represents the current node is not in the queue after being polled
            for (Edge edge : graph.get(curNode)) {
                if (minDist[edge.to] > minDist[edge.from] + edge.val) { // Start relaxing the edge
                    minDist[edge.to] = minDist[edge.from] + edge.val;
                    if (!isInQueue[edge.to]) { // Don't add the node if it's already in the queue
                        queue.offer(edge.to);
                        count[edge.to]++;
                        isInQueue[edge.to] = true;
                    }

                    if (count[edge.to] == n) { // If some node has been offered in the queue more than n-1 times
                        flag = true;
                        while (!queue.isEmpty()) queue.poll();
                        break;
                    }
                }
            }
        }

        if (flag) {
            System.out.println("circle");
        } else if (minDist[n] == Integer.MAX_VALUE) {
            System.out.println("unconnected");
        } else {
            System.out.println(minDist[n]);
        }
    }
}

bellman_ford之单源有限最短路

96. 城市间货物运输 III

题目描述

某国为促进城市间经济交流，决定对货物运输提供补贴。共有 n 个编号为 1 到 n 的城市，通过道路网络连接，网络中的道路仅允许从某个城市单向通行到另一个城市，不能反向通行。

网络中的道路都有各自的运输成本和政府补贴，道路的权值计算方式为：运输成本 - 政府补贴。权值为正表示扣除了政府补贴后运输货物仍需支付的费用；权值为负则表示政府的补贴超过了支出的运输成本，实际表现为运输过程中还能赚取一定的收益。

请计算在最多经过 k 个城市的条件下，从城市 src 到城市 dst 的最低运输成本。

输入描述

第一行包含两个正整数，第一个正整数 n 表示该国一共有 n 个城市，第二个整数 m 表示这些城市中共有 m 条道路。

接下来为 m 行，每行包括三个整数，s、t 和 v，表示 s 号城市运输货物到达 t 号城市，道路权值为 v。

最后一行包含三个正整数，src、dst、和 k，src 和 dst 为城市编号，从 src 到 dst 经过的城市数量限制。

输出描述

输出一个整数，表示从城市 src 到城市 dst 的最低运输成本，如果无法在给定经过城市数量限制下找到从 src 到 dst 的路径，则输出 "unreachable"，表示不存在符合条件的运输方案。

        题目中描述是 最多经过 k 个城市的条件下，而不是一定经过k个城市，也可以经过的城市数量比k小，但要最短的路径。

        在 kama94.城市间货物运输I 中我们讲了：对所有边松弛一次，相当于计算 起点到达 与起点一条边相连的节点 的最短距离。

        节点数量为n，起点到终点，最多是 n-1 条边相连。 那么对所有边松弛 n-1 次 就一定能得到 起点到达 终点的最短距离。

        本题就是求：起点最多经过k + 1 条边到达终点的最短距离。

        对所有边松弛一次，相当于计算 起点到达 与起点一条边相连的节点 的最短距离，那么对所有边松弛 k + 1次，就是求 起点到达 与起点k + 1条边相连的节点的 最短距离。

import java.util.*;

public class Main {
    // 基于Bellman_for一般解法解决单源最短路径问题
    // Define an inner class Edge
    static class Edge {
        int from;
        int to;
        int val;
        public Edge(int from, int to, int val) {
            this.from = from;
            this.to = to;
            this.val = val;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Input processing
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int n = sc.nextInt();
        int m = sc.nextInt();

        List<Edge> graph = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int from = sc.nextInt();
            int to = sc.nextInt();
            int val = sc.nextInt();
            graph.add(new Edge(from, to, val));
        }

        int src = sc.nextInt();
        int dst = sc.nextInt();
        int k = sc.nextInt();

        int[] minDist = new int[n + 1];
        int[] minDistCopy;

        Arrays.fill(minDist, Integer.MAX_VALUE);
        minDist[src] = 0;

        for (int i = 0; i < k + 1; i++) { // Relax all edges k + 1 times
            minDistCopy = Arrays.copyOf(minDist, n + 1);
            for (Edge edge : graph) {
                int from = edge.from;
                int to = edge.to;
                int val = edge.val;
                // Use minDistCopy to calculate minDist
                if (minDistCopy[from] != Integer.MAX_VALUE && minDist[to] > minDistCopy[from] + val) {
                    minDist[to] = minDistCopy[from] + val;
                }
            }
        }
        
        // Output printing
        if (minDist[dst] == Integer.MAX_VALUE) {
            System.out.println("unreachable");
        } else {
            System.out.println(minDist[dst]);
        }
    }
}