ปัญหาวิถีสั้นสุด

วิถีสั้นสุดบนกราฟไม่ระบุทิศทางที่ไม่ถ่วงน้ำหนักระหว่างจุดยอด 6 กับ 1 คือ (6, 4, 5, 1)

ในทฤษฎีกราฟ ปัญหาวิถีสั้นสุด (อังกฤษ: shortest path problem)​ เป็นปัญหาที่ต้องการหาวิถีสั้นสุดระหว่างจุดยอด 2 จุดภายในกราฟ กล่าวคือในวิถีสั้นสุดนั้น ผลรวมของน้ำหนักในเส้นเชื่อมแต่ละเส้นรวมกันแล้วน้อยที่สุดในบรรดาวิถีทั้งหมด ตัวอย่างปัญหานี้เช่นการหาวิธีเดินทางจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งในแผนที่ ในกรณีนี้ จุดยอดแทนด้วยสถานที่ต่างๆ ส่วนเส้นเชื่อมแทนด้วยถนนหรือเส้นทาง และน้ำหนักบนเส้นเชื่อมแทนด้วยเวลาในการเดินทางด้วยถนนหรือเส้นทางนั้นๆ

นิยาม

ปัญหาวิถีสั้นสุดอาจแตกต่างกันออกไป ตามแต่ประเภทของกราฟที่กำลังจะดำเนินการ เช่น กราฟระบุทิศทาง/กราฟไม่ระบุทิศทาง/กราฟผสม หรือ กราฟถ่วงน้ำหนัก/กราฟไม่ถ่วงน้ำหนัก เป็นต้น วิถีสั้นสุดจากจุดยอด u ไป v คือวิถีที่มีจุดเริ่มต้นที่ u และจบที่ v โดยที่ผลรวมของน้ำหนักในวิถีนั้นน้อยที่สุดในบรรดาวิถีทั้งหมดจาก u ไป v สำหรับกราฟไม่ถ่วงน้ำหนัก นิยามให้วิถีสั้นสุดคือวิถีที่มีเส้นเชื่อมน้อยที่สุด

โดยทั่วไป ปัญหาวิถีสั้นสุดจะกำหนดจุดยอด u และ v มาให้และให้หาวิถีสั้นสุดระหว่างจุดยอดทั้งคู่ เรียกปัญหานี้ว่าปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียว นอกจากนี้ยังมีปัญหาวิถีสั้นสุดอยู่ด้วยกันอีก 3 รูปแบบ คือ

• ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียว เป็นปัญหาที่ต้องการหาวิถีสั้นสุดจากจุดยอด v ไปจุดยอดอื่นๆทั้งหมดในกราฟ
• ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งปลายทางเดียว เป็นปัญหาที่ต้องการหาวิถีสั้นสุดจากจุดยอดทั้งหมดมาที่จุดยอด v ปัญหานี้ในกรณีของกราฟไม่ระบุทิศทางสามารถแก้ได้ทันทีโดยมองปลายทางเป็นต้นทาง แล้วแก้ไขปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวแทน ในกรณีกราฟระบุทิศทางก็สามารถลดรูปปัญหามาเป็นปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวได้เช่นกัน โดยกลับเส้นเชื่อมจากจุดยอด a ไป b เป็น b ไป a ก่อน แล้วแก้ไขปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวจาก v แทน
• ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบทุกคู่ เป็นปัญหาที่ต้องการหาวิถีสั้นสุดจาก u ไป v สำหรับทุกๆจุดยอด u , v ภายในกราฟ

สังเกตว่าปัญหาแต่ละรูปแบบสามารถแก้ได้โดยการแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียวหลายๆครั้ง อย่างไรก็ตาม การแก้ไขปัญหาในแต่ละรูปแบบมีวิธีการที่แตกต่างกันออกไปซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าการแก้ปัญหาปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียวหลายๆครั้ง

อันที่จริง ณ ปัจจุบัน ยังไม่มีขั้นตอนวิธีใดที่กรณีเลวร้ายสุดสามารถแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียวโดยที่มีประสิทธิภาพด้านเวลามากกว่าปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวได้ ดังนั้นเมื่อต้องการแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียว โดยทั่วไปก็จะแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวจนได้คำตอบที่ต้องการและจบขั้นตอนวิธี อย่างไรก็ตาม สำหรับกราฟพิเศษบางประเภทสามารถแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียวโดยการคำนวณล่วงหน้าได้ เช่น กราฟต้นไม้ กราฟเส้นตรง กราฟวัฏจักรเดียว เป็นต้น

ขั้นตอนวิธี

ขั้นตอนวิธีในการแก้ปัญหาวิถีสั้นสุด จะใช้แนวคิดของการการคลายเส้นเชื่อม (relaxation) นั่นคือขณะเริ่มต้น คำตอบวิถีสั้นสุดจะยังไม่ถูกต้อง เส้นเชื่อม e จะเรียกว่า ตึง (tense) ถ้าสามารถใช้ e แล้วทำให้มีวิถีที่น้ำหนักรวมร้อยกว่าคำตอบที่มีอยู่ ดังนั้นขั้นตอนวิธีแก้ปัญหาวิถีสั้นสุดก็จะทำการคลายเส้นเชื่อมที่ตึง นั่นคือใช้เส้นเชื่อมที่ตึงเพื่อให้ได้คำตอบของวิถีสั้นสุดที่ดียิ่งขึ้นเรื่อยๆ สุดท้ายเมื่อไม่พบเส้นเชื่อมที่ตึงก็แปลว่าวิถีที่ได้เป็นวิถีสั้นสุดแล้ว

ปัญหาวิถีสั้นสุดมองแต่เพียงการไปถึงได้ของจุดยอดต่างๆเท่านั้น ดังนั้นสำหรับกราฟไม่ระบุทิศทางจึงสามารถแปลงเป็นกราฟระบุทิศทางได้ โดยการเปลี่ยนเส้นเชื่อมไม่มีทิศทาง เป็นเส้นเชื่อมมีทิศทาง 2 เส้นที่มีทิศทั้งไปและกลับ

สำหรับกราฟไม่ถ่วงน้ำหนัก จากนิยามที่กำหนดให้วิถีสั้นสุดคือมีจำนวนเส้นเชื่อมในวิถีน้อยที่สุด ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าเส้นเชื่อมทุกเส้นมีความสำคัญเท่ากัน กล่าวคือกราฟไม่ถ่วงน้ำหนักจะเทียบเท่ากับกราฟถ่วงน้ำหนักที่เส้นเชื่อมทุกเส้นมีน้ำหนักเท่ากันและไม่เป็นลบ ตัวอย่างเช่นกราฟถ่วงน้ำหนักหนึ่งหน่วย (unit-weight graph) เป็นต้น

ขั้นตอนวิธีในการแก้ปัญหาที่ได้รับความนิยมและสำคัญมีดังนี้

• ขั้นตอนวิธีของไดค์สตรา ใช้แก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียว โดยที่น้ำหนักของเส้นเชื่อมต้องไม่เป็นลบ
• ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด ใช้แก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียว โดยที่น้ำหนักของเส้นเชื่อมอาจเป็นลบได้
• ขั้นตอนวิธีเอสตาร์ ใช้แก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียว โดยใช้ศึกษาสำนึกเพื่อเพิ่มความเร็วในการแก้ปัญหา
• ขั้นตอนวิธีของฟลอยด์-วอร์แชล ใช้แก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบทุกคู่
• ขั้นตอนวิธีของจอห์นสัน ใช้แก้ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบทุกคู่ ซึ่งจะเร็วกว่าขั้นตอนวิธีของฟลอยด์-วอร์แชลในกรณีของกราฟไม่หนาแน่น

ขั้นตอนวิธีอื่นๆและการนำมาใช้งานในรูปแบบต่างๆอาจหาได้ที่ Cherkassky et al

ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียว

ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบแหล่งต้นทางเดียวเป็นปัญหาที่ต้องการหาวิถีสั้นสุดจากจุดยอด v ไปจุดยอดอื่นๆทั้งหมดในกราฟ ได้ต้นไม้วิถีสั้นสุดออกมาเป็นผลลัพธ์

กราฟถ่วงน้ำหนักหนึ่งหน่วย

• ทำการค้นตามแนวกว้าง ใช้เวลา O(V + E)

กราฟอวัฏจักรระบุทิศทางสำหรับเส้นเชื่อมน้ำหนักใดๆ

• ทำการเรียงเชิงทอพอโลยีและกำหนดการพลวัต ใช้เวลา O(V + E)

กราฟที่ไม่มีเส้นเชื่อมน้ำหนักติดลบ

ขั้นตอนวิธี	ความซับซ้อนทางด้านเวลา	ผู้คิดค้น
	O(V4)	Shimbel 1955
	O(V2EL)	Ford 1956
ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด	O(VE)	Bellman 1958, Moore 1959
	O(V2 log V)	Dantzig 1958, Dantzig 1960, Minty (cf. Pollack & Wiebenson 1960), Whiting & Hillier 1960
ขั้นตอนวิธีของไดค์สตรา	O(V2)	Leyzorek et al. 1957, Dijkstra 1959
...	...	...
ขั้นตอนวิธีของไดค์สตราพร้อมใช้ฮีปฟีโบนัชชี	O(E + V log V)	Fredman & Tarjan 1984, Fredman & Tarjan 1987
	O(E log log L)	Johnson 1982, Karlsson & Poblete 1983
Gabow's algorithm	O(V logE/V L)	Gabow 1983b, Gabow 1985b
	O(E + V√log L)	Ahuja et al. 1990

กราฟสำหรับเส้นเชื่อมน้ำหนักใดๆ

• ขั้นตอนวิธีของเบลแมน-ฟอร์ด

ปัญหาวิถีสั้นสุดแบบทุกคู่

กราฟสำหรับเส้นเชื่อมน้ำหนักใดๆ

• ขั้นตอนวิธีของฟลอยด์-วอร์แชล ใช้เวลา O(V³) เหมาะสำหรับกราฟหนาแน่นและนำมาใช้งานได้ง่ายมาก
• ขั้นตอนวิธีของจอห์นสัน ใช้เวลา O(V²log V + VE) เหมาะสำหรับกราฟไม่หนาแน่นซึ่งเวลาการทำงานจะดีกว่าการใช้ขั้นตอนวิธีของฟลอยด์-วอร์แชลเป็นอย่างมาก

ปัญหาที่เกี่ยวข้อง

• ปัญหาวิถีสั้นสุดบนระนาบแบบยุคลิด

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง

• การไหลในเครือข่าย
• ต้นไม้วิถีสั้นสุด
• ปัญหาวิถีสั้นสุดบนระนาบแบบยุคลิด
• การค้นแบบสองทิศทาง ขั้นตอนวิธีหาวิถีสั้นสุดแบบคู่เดียว

อ้างอิง

บรรณานุกรม

• Ahuja, Ravindra K.; Mehlhorn, Kurt; Orlin, James; Tarjan, Robert E. (April 1990). "Faster algorithms for the shortest path problem" (PDF). Journal of the ACM. ACM. 37 (2): 213–223. doi:10.1145/77600.77615. hdl:1721.1/47994. S2CID 5499589.
• Bellman, Richard (1958). "On a routing problem". Quarterly of Applied Mathematics. 16: 87–90. doi:10.1090/qam/102435. MR 0102435.
• Cherkassky, Boris V.; Goldberg, Andrew V.; Radzik, Tomasz (1996). "Shortest paths algorithms: theory and experimental evaluation". Mathematical Programming. Ser. A. 73 (2): 129–174. doi:10.1016/0025-5610(95)00021-6. MR 1392160.
• Cormen, Thomas H.; Leiserson, Charles E.; Rivest, Ronald L.; Stein, Clifford (2001) [1990]. "Single-Source Shortest Paths and All-Pairs Shortest Paths". Introduction to Algorithms (2nd ed.). MIT Press and McGraw-Hill. pp. 580–642. ISBN 0-262-03293-7.
• Dantzig, G. B. (January 1960). "On the Shortest Route through a Network". Management Science. 6 (2): 187–190. doi:10.1287/mnsc.6.2.187.
• Dijkstra, E. W. (1959). "A note on two problems in connexion with graphs". Numerische Mathematik. 1: 269–271. doi:10.1007/BF01386390. S2CID 123284777.
• Ford, L. R. (1956). "Network Flow Theory". Rand Corporation. P-923. {{cite journal}}: Cite journal ต้องการ |journal= (help)
• Fredman, Michael Lawrence; Tarjan, Robert E. (1984). Fibonacci heaps and their uses in improved network optimization algorithms. 25th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE. pp. 338–346. doi:10.1109/SFCS.1984.715934. ISBN 0-8186-0591-X.
• Fredman, Michael Lawrence; Tarjan, Robert E. (1987). "Fibonacci heaps and their uses in improved network optimization algorithms". Journal of the Association for Computing Machinery. 34 (3): 596–615. doi:10.1145/28869.28874. S2CID 7904683.
• Gabow, H. N. (1983). "Scaling algorithms for network problems". Proceedings of the 24th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS 1983) (PDF). pp. 248–258. doi:10.1109/SFCS.1983.68.
• Gabow, Harold N. (1985). "Scaling algorithms for network problems". Journal of Computer and System Sciences. 31 (2): 148–168. doi:10.1016/0022-0000(85)90039-X. MR 0828519.
• Hagerup, Torben (2000). Montanari, Ugo; Rolim, José D. P.; Welzl, Emo (บ.ก.). Improved Shortest Paths on the Word RAM. Proceedings of the 27th International Colloquium on Automata, Languages and Programming. pp. 61–72. ISBN 978-3-540-67715-4.
• Johnson, Donald B. (1977). "Efficient algorithms for shortest paths in sparse networks". Journal of the ACM. 24 (1): 1–13. doi:10.1145/321992.321993. S2CID 207678246.
• Altıntaş, Gökhan (2020). Exact Solutions of Shortest-Path Problems Based on Mechanical Analogies: In Connection with Labyrinths. Amazon Digital Services LLC. p. 97. ISBN 9798655831896.
• Johnson, Donald B. (December 1981). "A priority queue in which initialization and queue operations take O(log log D) time". Mathematical Systems Theory. 15 (1): 295–309. doi:10.1007/BF01786986. MR 0683047. S2CID 35703411.
• Karlsson, Rolf G.; Poblete, Patricio V. (1983). "An O(m log log D) algorithm for shortest paths". Discrete Applied Mathematics. 6 (1): 91–93. doi:10.1016/0166-218X(83)90104-X. MR 0700028.
• Leyzorek, M.; Gray, R. S.; Johnson, A. A.; Ladew, W. C.; Meaker, S. R., Jr.; Petry, R. M.; Seitz, R. N. (1957). Investigation of Model Techniques — First Annual Report — 6 June 1956 — 1 July 1957 — A Study of Model Techniques for Communication Systems. Cleveland, Ohio: Case Institute of Technology.
• Moore, E. F. (1959). "The shortest path through a maze". Proceedings of an International Symposium on the Theory of Switching (Cambridge, Massachusetts, 2–5 April 1957). Cambridge: Harvard University Press. pp. 285–292.
• Pettie, Seth; Ramachandran, Vijaya (2002). Computing shortest paths with comparisons and additions. Proceedings of the Thirteenth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms. pp. 267–276. ISBN 978-0-89871-513-2.
• Pettie, Seth (26 January 2004). "A new approach to all-pairs shortest paths on real-weighted graphs". Theoretical Computer Science. 312 (1): 47–74. doi:10.1016/s0304-3975(03)00402-x.
• Pollack, Maurice; Wiebenson, Walter (March–April 1960). "Solution of the Shortest-Route Problem—A Review". Oper. Res. 8 (2): 224–230. doi:10.1287/opre.8.2.224. Attributes Dijkstra's algorithm to Minty ("private communication") on p. 225.
• Schrijver, Alexander (2004). Combinatorial Optimization — Polyhedra and Efficiency. Algorithms and Combinatorics. Vol. 24. Springer. ISBN 978-3-540-20456-5. Here: vol.A, sect.7.5b, p. 103
• Shimbel, Alfonso (1953). "Structural parameters of communication networks". Bulletin of Mathematical Biophysics. 15 (4): 501–507. doi:10.1007/BF02476438.
• Shimbel, A. (1955). Structure in communication nets. Proceedings of the Symposium on Information Networks. New York, NY: Polytechnic Press of the Polytechnic Institute of Brooklyn. pp. 199–203.
• Thorup, Mikkel (1999). "Undirected single-source shortest paths with positive integer weights in linear time". Journal of the ACM. 46 (3): 362–394. doi:10.1145/316542.316548. S2CID 207654795.
• Thorup, Mikkel (2004). "Integer priority queues with decrease key in constant time and the single source shortest paths problem". Journal of Computer and System Sciences. 69 (3): 330–353. doi:10.1016/j.jcss.2004.04.003.
• Whiting, P. D.; Hillier, J. A. (March–June 1960). "A Method for Finding the Shortest Route through a Road Network". Operational Research Quarterly. 11 (1/2): 37–40. doi:10.1057/jors.1960.32.
• Williams, Ryan (2014). "Faster all-pairs shortest paths via circuit complexity". Proceedings of the 46th Annual ACM Symposium on Theory of Computing (STOC '14). New York: ACM. pp. 664–673. arXiv:1312.6680. doi:10.1145/2591796.2591811. MR 3238994.

ดูเพิ่ม

• Dijkstra, E. W. (1959). "A note on two problems in connexion with graphs" (PDF). Numerische Mathematik. 1: 269–271. doi:10.1007/BF01386390. {{cite journal}}: |ref=harv ไม่ถูกต้อง (help)
• Fredman, Michael Lawrence; Tarjan, Robert E. (1984). "Fibonacci heaps and their uses in improved network optimization algorithms". 25th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. IEEE: 338–346. doi:10.1109/SFCS.1984.715934. ISBN 0-8186-0591-X. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2012-10-11. สืบค้นเมื่อ 2011-11-20. {{cite journal}}: |ref=harv ไม่ถูกต้อง (help)
• Fredman, Michael Lawrence; Tarjan, Robert E. (1987). "Fibonacci heaps and their uses in improved network optimization algorithms". Journal of the Association for Computing Machinery. 34 (3): 596–615. doi:10.1145/28869.28874. {{cite journal}}: |ref=harv ไม่ถูกต้อง (help)
• Leyzorek, M.; Gray, R. S.; Johnson, A. A.; Ladew, W. C.; Meaker, Jr., S. R.; Petry, R. M.; Seitz, R. N. (1957). Investigation of Model Techniques — First Annual Report — 6 June 1956 — 1 July 1957 — A Study of Model Techniques for Communication Systems. Cleveland, Ohio: Case Institute of Technology. {{cite book}}: |ref=harv ไม่ถูกต้อง (help)
• Moore, E.F. (1959). "The shortest path through a maze". Proceedings of an International Symposium on the Theory of Switching (Cambridge, Massachusetts, 2–5 April 1957). Cambridge: Harvard University Press. pp. 285–292. {{cite conference}}: |ref=harv ไม่ถูกต้อง (help); ไม่รู้จักพารามิเตอร์ |booktitle= ถูกละเว้น แนะนำ (|book-title=) (help)