logo

Algoritmul lui Dijkstra

Următorul tutorial ne va învăța despre algoritmul lui Dijkstra. Vom înțelege funcționarea algoritmului lui Dijkstra cu o explicație grafică în trepte.

Vom acoperi următoarele:

  • O scurtă prezentare a conceptelor fundamentale ale graficului
  • Înțelegeți utilizarea algoritmului lui Dijkstra
  • Înțelegeți funcționarea algoritmului cu un exemplu pas cu pas

Asadar, haideti sa începem.

O scurtă introducere în grafice

Grafice sunt structuri de date neliniare care reprezintă „conexiunile” dintre elemente. Aceste elemente sunt cunoscute sub numele de Noduri , iar liniile sau arcele care leagă oricare două vârfuri din grafic sunt cunoscute ca Margini . Mai formal, un grafic cuprinde un set de vârfuri (V) și un set de margini (E) . Graficul este notat cu G(V, E) .

Componentele unui grafic

    vârfuri:Nodurile sunt unitățile de bază ale graficului utilizate pentru a reprezenta obiecte, persoane sau entități din viața reală. Uneori, vârfurile sunt cunoscute și sub numele de Noduri.Margini:Muchiile sunt desenate sau folosite pentru a conecta două vârfuri ale graficului. Uneori, marginile sunt cunoscute și sub denumirea de arcuri.

Următoarea figură prezintă o reprezentare grafică a unui grafic:

Dijkstra

Figura 1: Reprezentarea grafică a unui grafic

În figura de mai sus, vârfurile/nodurile sunt notate cu cercuri colorate, iar marginile sunt notate cu liniile care leagă nodurile.

Aplicații ale graficelor

Graficele sunt folosite pentru a rezolva multe probleme din viața reală. Graficele sunt utilizate pentru a reprezenta rețelele. Aceste rețele pot include rețele telefonice sau de circuite sau căi dintr-un oraș.

De exemplu, am putea folosi Graphs pentru a proiecta un model de rețea de transport în care vârfurile afișează facilitățile care trimit sau primesc produsele, iar marginile reprezintă drumuri sau căi care le leagă. Următoarea este o reprezentare picturală a acesteia:

Dijkstra

Figura 2: Reprezentare picturală a rețelei de transport

Graficele sunt, de asemenea, utilizate în diferite platforme de social media, cum ar fi LinkedIn, Facebook, Twitter și multe altele. De exemplu, platforme precum Facebook folosesc grafice pentru a stoca datele utilizatorilor lor, unde fiecare persoană este indicată cu un vârf și fiecare dintre ele este o structură care conține informații precum ID-ul persoanei, Numele, Sexul, Adresa etc.

Tipuri de grafice

Graficele pot fi clasificate în două tipuri:

  1. Grafic nedirecționat
  2. Graficul Dirijat

Grafic nedirecționat: Un grafic cu muchii care nu au o direcție se numește grafic nedirecționat. Muchiile acestui grafic implică o relație bidirecțională în care fiecare muchie poate fi parcursă în ambele direcții. Următoarea figură afișează un grafic simplu nedirecționat cu patru noduri și cinci muchii.

Dijkstra

Figura 3: Un grafic simplu nedirecționat

Graficul direcționat: Un grafic cu margini cu direcție este denumit grafic direcționat. Marginile acestui grafic implică o relație unidirecțională în care fiecare muchie poate fi parcursă doar într-o singură direcție. Următoarea figură afișează un grafic simplu direcționat cu patru noduri și cinci muchii.

Dijkstra

Figura 4: Un grafic dirijat simplu

Lungimea absolută, poziția sau orientarea marginilor dintr-o ilustrare grafică, în mod caracteristic, nu are sens. Cu alte cuvinte, putem vizualiza același grafic în moduri diferite prin rearanjarea vârfurilor sau distorsionând marginile dacă structura de bază a graficului nu se modifică.

Ce sunt graficele ponderate?

Se spune că un grafic este ponderat dacă fiecărei muchii i se atribuie o „greutate”. Greutatea unei muchii poate denota distanța, timpul sau orice care modelează „conexiunea” dintre perechea de vârfuri pe care o conectează.

De exemplu, putem observa un număr albastru lângă fiecare muchie în următoarea figură a graficului ponderat. Acest număr este utilizat pentru a semnifica greutatea muchiei corespunzătoare.

Dijkstra

Figura 5: Un exemplu de grafic ponderat

O introducere în algoritmul lui Dijkstra

Acum că cunoaștem câteva concepte de bază ale graficelor, să ne aprofundăm în înțelegerea conceptului de algoritm al lui Dijkstra.

V-ați întrebat vreodată cum găsește Google Maps cea mai scurtă și mai rapidă rută între două locuri?

Ei bine, răspunsul este Algoritmul lui Dijkstra . Algoritmul lui Dijkstra este un algoritm Graph care găsește calea cea mai scurtă de la un vârf sursă la toate celelalte vârfuri din grafic (cea mai scurtă cale pentru o singură sursă). Este un tip de algoritm lacom care funcționează numai pe graficele ponderate care au ponderi pozitive. Complexitatea temporală a algoritmului lui Dijkstra este O(V2) cu ajutorul reprezentării matricei de adiacență a graficului. Acest timp complexitatea poate fi redusă la O((V + E) log V) cu ajutorul unei reprezentări de listă de adiacență a graficului, unde ÎN este numărul de vârfuri și ȘI este numărul de muchii din grafic.

Istoria algoritmului lui Dijkstra

Algoritmul lui Dijkstra a fost proiectat și publicat de Dr. Edsger W. Dijkstra , un informatician olandez, inginer software, programator, eseist științific și om de știință în sisteme.

În timpul unui interviu cu Philip L. Frana pentru Comunicarea revistei ACM în anul 2001, Dr. Edsger W. Dijkstra a dezvăluit:

python scrie json în fișier

„Care este cel mai scurt drum de a călători de la Rotterdam la Groningen, în general: de la un oraș dat la un oraș dat? Este algoritmul pentru cea mai scurtă cale, pe care l-am proiectat în aproximativ douăzeci de minute. Într-o dimineață, făceam cumpărături la Amsterdam cu tânăra mea logodnică și obosit, ne-am așezat pe terasa cafenelei să bem o ceașcă de cafea și mă gândeam dacă aș putea face asta, apoi am conceput algoritmul pentru calea cea mai scurtă. . După cum am spus, a fost o invenție de douăzeci de minute. De fapt, a fost publicată în ’59, trei ani mai târziu. Publicația este încă lizibilă, este, de fapt, destul de drăguță. Unul dintre motivele pentru care este atât de frumos a fost că l-am proiectat fără creion și hârtie. Am aflat mai târziu că unul dintre avantajele proiectării fără creion și hârtie este că ești aproape forțat să eviți toate complexitățile care pot fi evitate. În cele din urmă, acel algoritm a devenit, spre marea mea uimire, una dintre pietrele de temelie ale faimei mele.'

Dijkstra s-a gândit la problema celei mai scurte drumuri în timp ce lucra ca programator la Centrul de matematică din Amsterdam în 1956 pentru a ilustra capacitățile unui nou computer cunoscut sub numele de ARMAC. Scopul său a fost să selecteze atât o problemă, cât și o soluție (produsă de computer) pe care oamenii fără cunoștințe de calculator să le poată înțelege. El a dezvoltat algoritmul de calea cea mai scurtă și l-a executat ulterior pentru ARMAC pentru o hartă de transport vag scurtată a 64 de orașe din Țările de Jos (64 de orașe, deci 6 biți ar fi suficienți pentru a codifica numărul orașului). Un an mai târziu, a întâlnit o altă problemă de la inginerii hardware care operau următorul computer al institutului: Minimizarea cantității de cabluri necesare pentru a conecta pinii de pe panoul din spate al mașinii. Ca o soluție, el a redescoperit algoritmul numit algoritmul arborelui de acoperire minim al lui Prim și l-a publicat în anul 1959.

Fundamentele algoritmului lui Dijkstra

Următoarele sunt conceptele de bază ale algoritmului lui Dijkstra:

  1. Algoritmul lui Dijkstra începe la nodul pe care îl selectăm (nodul sursă) și examinează graficul pentru a găsi calea cea mai scurtă între acel nod și toate celelalte noduri din grafic.
  2. Algoritmul păstrează înregistrări ale distanței cele mai scurte recunoscute în prezent de la fiecare nod la nodul sursă și actualizează aceste valori dacă găsește o cale mai scurtă.
  3. Odată ce algoritmul a preluat cea mai scurtă cale dintre sursă și un alt nod, acel nod este marcat ca „vizitat” și inclus în cale.
  4. Procedura continuă până când toate nodurile din grafic au fost incluse în cale. În acest fel, avem o cale care conectează nodul sursă la toate celelalte noduri, urmând calea cea mai scurtă posibilă pentru a ajunge la fiecare nod.

Înțelegerea funcționării algoritmului lui Dijkstra

A grafic și vârful sursă sunt cerințe pentru algoritmul lui Dijkstra. Acest algoritm este stabilit pe Greedy Approach și găsește astfel alegerea optimă local (minimele locale în acest caz) la fiecare pas al algoritmului.

Fiecare vârf din acest algoritm va avea două proprietăți definite pentru el:

  1. Proprietate vizitată
  2. Proprietatea căii

Să înțelegem pe scurt aceste proprietăți.

Proprietate vizitată:

  1. Proprietatea „vizitat” indică dacă nodul a fost sau nu vizitat.
  2. Folosim această proprietate pentru a nu revedea niciun nod.
  3. Un nod este marcat ca vizitat numai atunci când a fost găsită calea cea mai scurtă.

Proprietatea căii:

  1. Proprietatea „cale” stochează valoarea căii minime curente către nod.
  2. Calea minimă actuală implică cea mai scurtă cale prin care am ajuns la acest nod până acum.
  3. Această proprietate este revizuită atunci când este vizitat orice vecin al nodului.
  4. Această proprietate este semnificativă deoarece va stoca răspunsul final pentru fiecare nod.

Inițial, marchem toate nodurile, sau nodurile, nevizitate, deoarece nu au fost încă vizitate. Calea către toate nodurile este, de asemenea, setată la infinit, în afară de nodul sursă. Mai mult, calea către nodul sursă este setată la zero (0).

Selectăm apoi nodul sursă și îl marchem ca vizitat. După aceea, accesăm toate nodurile vecine ale nodului sursă și efectuăm relaxare pe fiecare nod. Relaxarea este procesul de reducere a costului de a ajunge la un nod cu ajutorul altui nod.

În procesul de relaxare, calea fiecărui nod este revizuită la valoarea minimă dintre calea curentă a nodului, suma căii către nodul anterior și calea de la nodul anterior la nodul curent.

Să presupunem că p[n] este valoarea căii curente pentru nodul n, p[m] este valoarea căii până la nodul vizitat anterior m și w este greutatea muchiei dintre nodul curent și unul vizitat anterior (greutatea muchiei între n și m).

În sens matematic, relaxarea poate fi exemplificată ca:

p[n] = minim(p[n], p[m] + w)

Apoi marchem un nod nevizitat cu cea mai mică cale vizitată în fiecare pas următor și actualizăm căile vecinului său.

Repetăm ​​această procedură până când toate nodurile din grafic sunt marcate ca vizitate.

Ori de câte ori adăugăm un nod la setul vizitat, calea către toate nodurile învecinate se schimbă în consecință.

Dacă orice nod este lăsat inaccesibil (componentă deconectată), calea acestuia rămâne „infinită”. În cazul în care sursa în sine este o componentă separată, atunci calea către toate celelalte noduri rămâne „infinită”.

Înțelegerea algoritmului lui Dijkstra cu un exemplu

Următorul este pasul pe care îl vom urma pentru a implementa algoritmul lui Dijkstra:

Pasul 1: Mai întâi, vom marca nodul sursă cu o distanță curentă de 0 și vom seta restul nodurilor la INFINITY.

Pasul 2: Vom seta apoi nodul nevizitat cu cea mai mică distanță curentă ca nod curent, să presupunem X.

Pasul 3: Pentru fiecare vecin N al nodului curent X: Vom adăuga apoi distanța curentă a lui X cu greutatea muchiei care unește X-N. Dacă este mai mică decât distanța curentă a lui N, setați-o ca nouă distanță curentă a lui N.

Pasul 4: Vom marca apoi nodul X curent ca vizitat.

Pasul 5: Vom repeta procesul de la 'Pasul 2' dacă a rămas vreun nod nevizitat în grafic.

Să înțelegem acum implementarea algoritmului cu ajutorul unui exemplu:

Dijkstra

Figura 6: Graficul dat

  1. Vom folosi graficul de mai sus ca intrare, cu nod A ca sursă.
  2. În primul rând, vom marca toate nodurile ca nevizitate.
  3. Vom stabili calea către 0 la nod A și INFINIT pentru toate celelalte noduri.
  4. Vom marca acum nodul sursă A așa cum este vizitat și accesează nodurile învecinate.
    Notă: Am accesat doar nodurile vecine, nu le-am vizitat.
  5. Acum vom actualiza calea către nod B de 4 cu ajutorul relaxării deoarece calea către nod A este 0 și calea de la nod A la B este 4 , si minim((0 + 4), INFINITY) este 4 .
  6. Vom actualiza, de asemenea, calea către nod C de 5 cu ajutorul relaxării deoarece calea către nod A este 0 și calea de la nod A la C este 5 , si minim((0 + 5), INFINITY) este 5 . Atât vecinii nodului A sunt acum relaxați; prin urmare, putem merge mai departe.
  7. Acum vom selecta următorul nod nevizitat cu cea mai mică cale și îl vom vizita. Prin urmare, vom vizita nodul B și efectuează relaxare pe vecinii săi nevizitați. După efectuarea relaxării, calea către nod C va rămâne 5 , în timp ce calea către nod ȘI va deveni unsprezece , și calea către nod D va deveni 13 .
  8. Vom vizita acum nodul ȘI și efectuează relaxare pe nodurile învecinate B, D , și F . Din moment ce numai nod F nu este vizitat, va fi relaxat. Astfel, calea către nod B va rămâne așa cum este, adică 4 , calea către nod D va rămâne de asemenea 13 , și calea către nod F va deveni 14 (8 + 6) .
  9. Acum vom vizita nodul D , și numai nod F va fi relaxat. Cu toate acestea, calea către nod F va rămâne neschimbat, adică 14 .
  10. Din moment ce numai nod F rămâne, îl vom vizita, dar nu vom face nicio relaxare, deoarece toate nodurile învecinate sunt deja vizitate.
  11. Odată ce toate nodurile graficelor sunt vizitate, programul se va încheia.

Prin urmare, căile finale pe care le-am concluzionat sunt:

 A = 0 B = 4 (A -> B) C = 5 (A -> C) D = 4 + 9 = 13 (A -> B -> D) E = 5 + 3 = 8 (A -> C -> E) F = 5 + 3 + 6 = 14 (A -> C -> E -> F) 

Pseudocod pentru algoritmul lui Dijkstra

Vom înțelege acum un pseudocod pentru algoritmul lui Dijkstra.

  • Trebuie să menținem o înregistrare a distanței de cale a fiecărui nod. Prin urmare, putem stoca distanța de cale a fiecărui nod într-o matrice de dimensiune n, unde n este numărul total de noduri.
  • Mai mult, dorim să regăsim cea mai scurtă cale împreună cu lungimea acelei căi. Pentru a depăși această problemă, vom mapa fiecare nod la nodul care și-a actualizat ultima dată lungimea căii.
  • Odată ce algoritmul este complet, putem reveni înapoi la nodul destinație la nodul sursă pentru a prelua calea.
  • Putem folosi o coadă de prioritate minimă pentru a prelua nodul cu cea mai mică distanță de cale într-un mod eficient.

Să implementăm acum un pseudocod din ilustrația de mai sus:

format string java

Pseudo cod:

 function Dijkstra_Algorithm(Graph, source_node) // iterating through the nodes in Graph and set their distances to INFINITY for each node N in Graph: distance[N] = INFINITY previous[N] = NULL If N != source_node, add N to Priority Queue G // setting the distance of the source node of the Graph to 0 distance[source_node] = 0 // iterating until the Priority Queue G is not empty while G is NOT empty: // selecting a node Q having the least distance and marking it as visited Q = node in G with the least distance[] mark Q visited // iterating through the unvisited neighboring nodes of the node Q and performing relaxation accordingly for each unvisited neighbor node N of Q: temporary_distance = distance[Q] + distance_between(Q, N) // if the temporary distance is less than the given distance of the path to the Node, updating the resultant distance with the minimum value if temporary_distance <distance[n] distance[n] :="temporary_distance" previous[n] returning the final list of distance return distance[], previous[] < pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above pseudocode, we have defined a function that accepts multiple parameters - the Graph consisting of the nodes and the source node. Inside this function, we have iterated through each node in the Graph, set their initial distance to <strong>INFINITY</strong> , and set the previous node value to <strong>NULL</strong> . We have also checked whether any selected node is not a source node and added the same into the Priority Queue. Moreover, we have set the distance of the source node to <strong>0</strong> . We then iterated through the nodes in the priority queue, selected the node with the least distance, and marked it as visited. We then iterated through the unvisited neighboring nodes of the selected node and performed relaxation accordingly. At last, we have compared both the distances (original and temporary distance) between the source node and the destination node, updated the resultant distance with the minimum value and previous node information, and returned the final list of distances with their previous node information.</p> <h2>Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Different Programming Languages</h2> <p>Now that we have successfully understood the pseudocode of Dijkstra&apos;s Algorithm, it is time to see its implementation in different programming languages like C, C++, Java, and Python.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in C</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the C Programming Language:</p> <p> <strong>File: DijkstraAlgorithm.c</strong> </p> <pre> // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in C // importing the standard I/O header file #include // defining some constants #define INF 9999 #define MAX 10 // prototyping of the function void DijkstraAlgorithm(int Graph[MAX][MAX], int size, int start); // defining the function for Dijkstra&apos;s Algorithm void DijkstraAlgorithm(int Graph[MAX][MAX], int size, int start) { int cost[MAX][MAX], distance[MAX], previous[MAX]; int visited_nodes[MAX], counter, minimum_distance, next_node, i, j; // creating cost matrix for (i = 0; i <size; i++) for (j="0;" j < size; j++) if (graph[i][j]="=" 0) cost[i][j]="INF;" else (i="0;" i { distance[i]="cost[start][i];" previous[i]="start;" visited_nodes[i]="0;" } distance[start]="0;" visited_nodes[start]="1;" counter="1;" while (counter size - 1) minimum_distance="INF;" (distance[i] && !visited_nodes[i]) next_node="i;" visited_nodes[next_node]="1;" (!visited_nodes[i]) (minimum_distance + cost[next_node][i] distance[i]) cost[next_node][i]; counter++; printing the distance !="start)" printf('
distance from source node to %d: %d', i, distance[i]); main function int main() defining variables graph[max][max], j, size, source; declaring of matrix nodes graph graph[0][0]="0;" graph[0][1]="4;" graph[0][2]="0;" graph[0][3]="0;" graph[0][4]="0;" graph[0][5]="8;" graph[0][6]="0;" graph[1][0]="4;" graph[1][1]="0;" graph[1][2]="8;" graph[1][3]="0;" graph[1][4]="0;" graph[1][5]="11;" graph[1][6]="0;" graph[2][0]="0;" graph[2][1]="8;" graph[2][2]="0;" graph[2][3]="7;" graph[2][4]="0;" graph[2][5]="4;" graph[2][6]="0;" graph[3][0]="0;" graph[3][1]="0;" graph[3][2]="7;" graph[3][3]="0;" graph[3][4]="9;" graph[3][5]="14;" graph[3][6]="0;" graph[4][0]="0;" graph[4][1]="0;" graph[4][2]="0;" graph[4][3]="9;" graph[4][4]="0;" graph[4][5]="10;" graph[4][6]="2;" graph[5][0]="0;" graph[5][1]="0;" graph[5][2]="4;" graph[5][3]="14;" graph[5][4]="10;" graph[5][5]="0;" graph[5][6]="2;" graph[6][0]="0;" graph[6][1]="0;" graph[6][2]="0;" graph[6][3]="0;" graph[6][4]="2;" graph[6][5]="0;" graph[6][6]="1;" calling dijkstraalgorithm() by passing graph, number and dijkstraalgorithm(graph, source); return 0; pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from the Source Node to 1: 4 Distance from the Source Node to 2: 12 Distance from the Source Node to 3: 19 Distance from the Source Node to 4: 12 Distance from the Source Node to 5: 8 Distance from the Source Node to 6: 10 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have included the <strong>stdio.h</strong> header file defined two constant values: <strong>INF = 9999</strong> and <strong>MAX = 10</strong> . We have declared the prototyping of the function and then defined the function for Dijkstra&apos;s Algorithm as <strong>DijkstraAlgorithm</strong> that accepts three arguments - the Graph consisting of the nodes, the number of nodes in the Graph, and the source node. Inside this function, we have defined some data structures such as a 2D matrix that will work as the Priority Queue for the algorithm, an array to main the distance between the nodes, an array to maintain the record of previous nodes, an array to store the visited nodes information, and some integer variables to store minimum distance value, counter, next node value and more. We then used a <strong>nested for-loop</strong> to iterate through the nodes of the Graph and add them to the priority queue accordingly. We have again used the <strong>for-loop</strong> to iterate through the elements in the priority queue starting from the source node and update their distances. Outside the loop, we have set the distance of the source node as <strong>0</strong> and marked it as visited in the <strong>visited_nodes[]</strong> array. We then set the counter value as one and used the <strong>while</strong> loop iterating through the number of nodes. Inside this loop, we have set the value of <strong>minimum_distance</strong> as <strong>INF</strong> and used the <strong>for-loop</strong> to update the value of the <strong>minimum_distance</strong> variable with the minimum value from a <strong>distance[]</strong> array. We then iterated through the unvisited neighboring nodes of the selected node using the <strong>for-loop</strong> and performed relaxation. We then printed the resulting data of the distances calculated using Dijkstra&apos;s Algorithm.</p> <p>In the <strong>main</strong> function, we have defined and declared the variables representing the Graph, the number of nodes, and the source node. At last, we have called the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function by passing the required parameters.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in C++</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the C++ Programming Language:</p> <p> <strong>File: DijkstraAlgorithm.cpp</strong> </p> <pre> // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in C++ // importing the required header files #include #include // defining constant #define MAX_INT 10000000 // using the standard namespace using namespace std; // prototyping of the DijkstraAlgorithm() function void DijkstraAlgorithm(); // main function int main() { DijkstraAlgorithm(); return 0; } // declaring the classes class Vertex; class Edge; // prototyping the functions void Dijkstra(); vector* Adjacent_Remaining_Nodes(Vertex* vertex); Vertex* Extract_Smallest(vector&amp; vertices); int Distance(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo); bool Contains(vector&amp; vertices, Vertex* vertex); void Print_Shortest_Route_To(Vertex* des); // instantiating the classes vector vertices; vector edges; // defining the class for the vertices of the graph class Vertex { public: Vertex(char id) : id(id), prev(NULL), distance_from_start(MAX_INT) { vertices.push_back(this); } public: char id; Vertex* prev; int distance_from_start; }; // defining the class for the edges of the graph class Edge { public: Edge(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo, int distance) : vertexOne(vertexOne), vertexTwo(vertexTwo), distance(distance) { edges.push_back(this); } bool Connects(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo) public: Vertex* vertexOne; Vertex* vertexTwo; int distance; }; // defining the function to collect the details of the graph void DijkstraAlgorithm() { // declaring some vertices Vertex* vertex_a = new Vertex(&apos;A&apos;); Vertex* vertex_b = new Vertex(&apos;B&apos;); Vertex* vertex_c = new Vertex(&apos;C&apos;); Vertex* vertex_d = new Vertex(&apos;D&apos;); Vertex* vertex_e = new Vertex(&apos;E&apos;); Vertex* vertex_f = new Vertex(&apos;F&apos;); Vertex* vertex_g = new Vertex(&apos;G&apos;); // declaring some edges Edge* edge_1 = new Edge(vertex_a, vertex_c, 1); Edge* edge_2 = new Edge(vertex_a, vertex_d, 2); Edge* edge_3 = new Edge(vertex_b, vertex_c, 2); Edge* edge_4 = new Edge(vertex_c, vertex_d, 1); Edge* edge_5 = new Edge(vertex_b, vertex_f, 3); Edge* edge_6 = new Edge(vertex_c, vertex_e, 3); Edge* edge_7 = new Edge(vertex_e, vertex_f, 2); Edge* edge_8 = new Edge(vertex_d, vertex_g, 1); Edge* edge_9 = new Edge(vertex_g, vertex_f, 1); vertex_a -&gt; distance_from_start = 0; // setting a start vertex // calling the Dijkstra() function to find the shortest route possible Dijkstra(); // calling the Print_Shortest_Route_To() function to print the shortest route from the source vertex to the destination vertex Print_Shortest_Route_To(vertex_f); } // defining the function for Dijkstra&apos;s Algorithm void Dijkstra() { while (vertices.size() &gt; 0) { Vertex* smallest = Extract_Smallest(vertices); vector* adjacent_nodes = Adjacent_Remaining_Nodes(smallest); const int size = adjacent_nodes -&gt; size(); for (int i = 0; i at(i); int distance = Distance(smallest, adjacent) + smallest -&gt; distance_from_start; if (distance distance_from_start) { adjacent -&gt; distance_from_start = distance; adjacent -&gt; prev = smallest; } } delete adjacent_nodes; } } // defining the function to find the vertex with the shortest distance, removing it, and returning it Vertex* Extract_Smallest(vector&amp; vertices) { int size = vertices.size(); if (size == 0) return NULL; int smallest_position = 0; Vertex* smallest = vertices.at(0); for (int i = 1; i distance_from_start distance_from_start) { smallest = current; smallest_position = i; } } vertices.erase(vertices.begin() + smallest_position); return smallest; } // defining the function to return all vertices adjacent to &apos;vertex&apos; which are still in the &apos;vertices&apos; collection. vector* Adjacent_Remaining_Nodes(Vertex* vertex) { vector* adjacent_nodes = new vector(); const int size = edges.size(); for (int i = 0; i vertexOne == vertex) { adjacent = edge -&gt; vertexTwo; } else if (edge -&gt; vertexTwo == vertex) { adjacent = edge -&gt; vertexOne; } if (adjacent &amp;&amp; Contains(vertices, adjacent)) { adjacent_nodes -&gt; push_back(adjacent); } } return adjacent_nodes; } // defining the function to return distance between two connected vertices int Distance(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo) { const int size = edges.size(); for (int i = 0; i Connects(vertexOne, vertexTwo)) { return edge -&gt; distance; } } return -1; // should never happen } // defining the function to check if the &apos;vertices&apos; vector contains &apos;vertex&apos; bool Contains(vector&amp; vertices, Vertex* vertex) { const int size = vertices.size(); for (int i = 0; i <size; ++i) { if (vertex="=" vertices.at(i)) return true; } false; defining the function to print shortest route destination void print_shortest_route_to(vertex* des) vertex* prev="des;" cout << 'distance from start: ' < distance_from_start endl; while (prev) id prev; pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from start: 4 F G D A </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above code snippet, we included the <strong>&apos;iostream&apos;</strong> and <strong>&apos;vector&apos;</strong> header files and defined a constant value as <strong>MAX_INT = 10000000</strong> . We then used the standard namespace and prototyped the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function. We then defined the main function of the program within, which we have called the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function. After that, we declared some classes to create vertices and edges. We have also prototyped more functions to find the shortest possible path from the source vertex to the destination vertex and instantiated the Vertex and Edge classes. We then defined both classes to create the vertices and edges of the graph. We have then defined the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function to create a graph and perform different operations. Inside this function, we have declared some vertices and edges. We then set the source vertex of the graph and called the <strong>Dijkstra()</strong> function to find the shortest possible distance and <strong>Print_Shortest_Route_To()</strong> function to print the shortest distance from the source vertex to vertex <strong>&apos;F&apos;</strong> . We have then defined the <strong>Dijkstra()</strong> function to calculate the shortest possible distances of the all the vertices from the source vertex. We have also defined some more functions to find the vertex with the shortest distance to return all the vertices adjacent to the remaining vertex, to return the distance between two connected vertices, to check if the selected vertex exists in the graph, and to print the shortest possible path from the source vertex to the destination vertex.</p> <p>As a result, the required shortest path for the vertex <strong>&apos;F&apos;</strong> from the source node is printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in Java</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the Java Programming Language:</p> <p> <strong>File: DijkstraAlgorithm.java</strong> </p> <pre> // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Java // defining the public class for Dijkstra&apos;s Algorithm public class DijkstraAlgorithm { // defining the method to implement Dijkstra&apos;s Algorithm public void dijkstraAlgorithm(int[][] graph, int source) { // number of nodes int nodes = graph.length; boolean[] visited_vertex = new boolean[nodes]; int[] dist = new int[nodes]; for (int i = 0; i <nodes; 0 1 i++) { visited_vertex[i]="false;" dist[i]="Integer.MAX_VALUE;" } distance of self loop is zero dist[source]="0;" for (int i="0;" < nodes; updating the between neighboring vertex and source int u="find_min_distance(dist," visited_vertex); visited_vertex[u]="true;" distances all vertices v="0;" v++) if (!visited_vertex[v] && graph[u][v] !="0" (dist[u] + dist[v])) dist[v]="dist[u]" graph[u][v]; dist.length; system.out.println(string.format('distance from %s to %s', source, i, dist[i])); defining method find minimum private static find_min_distance(int[] dist, boolean[] visited_vertex) minimum_distance="Integer.MAX_VALUE;" minimum_distance_vertex="-1;" (!visited_vertex[i] minimum_distance) return minimum_distance_vertex; main function public void main(string[] args) declaring nodes graphs graph[][]="new" int[][] 0, 1, 2, }, 3, }; instantiating dijkstraalgorithm() class dijkstraalgorithm test="new" dijkstraalgorithm(); calling shortest node destination test.dijkstraalgorithm(graph, 0); pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from Vertex 0 to Vertex 0 is 0 Distance from Vertex 0 to Vertex 1 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 2 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 3 is 2 Distance from Vertex 0 to Vertex 4 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 5 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 6 is 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have defined a public class as <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> . Inside this class, we have defined a public method as <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> to find the shortest distance from the source vertex to the destination vertex. Inside this method, we have defined a variable to store the number of nodes. We have then defined a Boolean array to store the information regarding the visited vertices and an integer array to store their respective distances. Initially, we declared the values in both the arrays as <strong>False</strong> and <strong>MAX_VALUE</strong> , respectively. We have also set the distance of the source vertex as zero and used the <strong>for-loop</strong> to update the distance between the source vertex and destination vertices with the minimum distance. We have then updated the distances of the neighboring vertices of the selected vertex by performing relaxation and printed the shortest distances for every vertex. We have then defined a method to find the minimum distance from the source vertex to the destination vertex. We then defined the main function where we declared the vertices of the graph and instantiated the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> class. Finally, we have called the <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> method to find the shortest distance between the source vertex and the destination vertices.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in Python</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the Python Programming Language:</p> <p> <strong>File: DikstraAlgorithm.py</strong> </p> <pre> # Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Python # importing the sys module import sys # declaring the list of nodes for the graph nodes = [ [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [1, 1, 0, 1, 1, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # declaring the list of edges for the graph edges = [ [0, 0, 1, 0, 2, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 3, 0], [1, 2, 0, 1, 3, 0, 0], [2, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 3, 0, 0, 2, 0], [0, 3, 0, 0, 2, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # defining the function to find which node is to be visited next def toBeVisited(): global visitedAndDistance v = -10 for index in range(numberOfNodes): if visitedAndDistance[index][0] == 0 and (v <0 1 or visitedanddistance[index][1] <="visitedAndDistance[v][1]):" v="index" return # finding the number of nodes in graph numberofnodes="len(nodes[0])" visitedanddistance="[[0," 0]] for i range(numberofnodes - 1): visitedanddistance.append([0, sys.maxsize]) node range(numberofnodes): next to be visited tovisit="toBeVisited()" neighborindex updating new distances if nodes[tovisit][neighborindex]="=" and visitedanddistance[neighborindex][0]="=" 0: newdistance="visitedAndDistance[toVisit][1]" + edges[tovisit][neighborindex] visitedanddistance[neighborindex][1]> newDistance: visitedAndDistance[neighborIndex][1] = newDistance visitedAndDistance[toVisit][0] = 1 i = 0 # printing the distance for distance in visitedAndDistance: print(&apos;Distance of&apos;, chr(ord(&apos;A&apos;) + i), &apos;from source node:&apos;, distance[1]) i = i + 1 </0></pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance of A from source node: 0 Distance of B from source node: 3 Distance of C from source node: 1 Distance of D from source node: 2 Distance of E from source node: 2 Distance of F from source node: 4 Distance of G from source node: 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have imported the <strong>sys</strong> module and declared the lists consisting of the values for the nodes and edges. We have then defined a function as <strong>toBeVisited()</strong> to find which node will be visited next. We then found the total number of nodes in the graph and set the initial distances for every node. We have then calculated the minimum distance from the source node to the destination node, performed relaxation on neighboring nodes, and updated the distances in the list. We then printed those distances from the list for the users.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h2>Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <ul> <li>The Time Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is <strong>O(E log V)</strong> , where E is the number of edges and V is the number of vertices.</li> <li>The Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is O(V), where V is the number of vertices.</li> </ul> <h2>Advantages and Disadvantages of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Let us discuss some advantages of Dijkstra&apos;s Algorithm:</strong> </p> <ol class="points"> <li>One primary advantage of using Dijkstra&apos;s Algorithm is that it has an almost linear time and space complexity.</li> <li>We can use this algorithm to calculate the shortest path from a single vertex to all other vertices and a single source vertex to a single destination vertex by stopping the algorithm once we get the shortest distance for the destination vertex.</li> <li>This algorithm only works for directed weighted graphs, and all the edges of this graph should be non-negative.</li> </ol> <p> <strong>Despite having multiple advantages, Dijkstra&apos;s algorithm has some disadvantages also, such as:</strong> </p> <ol class="points"> <li>Dijkstra&apos;s Algorithm performs a concealed exploration that utilizes a lot of time during the process.</li> <li>This algorithm is impotent to handle negative edges.</li> <li>Since this algorithm heads to the acyclic graph, it cannot calculate the exact shortest path.</li> <li>It also requires maintenance to keep a record of vertices that have been visited.</li> </ol> <h2>Some Applications of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Dijkstra&apos;s Algorithm has various real-world applications, some of which are stated below:</strong> </p> <ol class="points"> <tr><td>Digital Mapping Services in Google Maps:</td> There are various times when we have tried to find the distance in Google Maps either from our location to the nearest preferred location or from one city to another, which comprises multiple routes/paths connecting them; however, the application must display the minimum distance. This is only possible because Dijkstra&apos;s algorithm helps the application find the shortest between two given locations along the path. Let us consider the USA as a graph wherein the cities/places are represented as vertices, and the routes between two cities/places are represented as edges. Then with the help of Dijkstra&apos;s Algorithm, we can calculate the shortest routes between any two cities/places. </tr><tr><td>Social Networking Applications:</td> In many applications like Facebook, Twitter, Instagram, and more, many of us might have observed that these apps suggest the list of friends that a specific user may know. How do many social media companies implement this type of feature in an efficient and effective way, specifically when the system has over a billion users? The answer to this question is Dijkstra&apos;s Algorithm. The standard Dijkstra&apos;s Algorithm is generally used to estimate the shortest distance between the users measured through the connections or mutuality among them. When social networking is very small, it uses the standard Dijkstra&apos;s Algorithm in addition to some other features in order to determine the shortest paths. However, when the graph is much bigger, the standard algorithm takes several seconds to count, and thus, some advanced algorithms are used as the alternative. </tr><tr><td>Telephone Network:</td> As some of us might know, in a telephone network, each transmission line has a bandwidth, &apos;b&apos;. The bandwidth is the highest frequency that the transmission line can support. In general, if the frequency of the signal is higher in a specific line, the signal is reduced by that line. Bandwidth represents the amount of information that can be transmitted by the line. Let us consider a city a graph wherein the switching stations are represented using the vertices, the transmission lines are represented as the edges, and the bandwidth, &apos;b&apos;, is represented using the weight of the edges. Thus, as we can observe, the telephone network can also fall into the category of the shortest distance problem and can be solved using Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>Flight Program:</td> Suppose that a person requires software to prepare an agenda of flights for customers. The agent has access to a database with all flights and airports. In addition to the flight number, origin airport, and destination, the flights also have departure and arrival times. So, in order to determine the earliest arrival time for the selected destination from the original airport and given start time, the agents make use of Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>IP routing to find Open Shortest Path First:</td> Open Shortest Path First (abbreviated as OSPF) is a link-state routing protocol used to find the best path between the source and destination router with the help of its own Shortest Path First. Dijkstra&apos;s Algorithm is extensively utilized in the routing protocols required by the routers in order to update their forwarding table. The algorithm gives the shortest cost path from the source router to the other routers present in the network. </tr><tr><td>Robotic Path:</td> These days, drones and robots have come into existence, some operated manually and some automatically. The drones and robots which are operated automatically and used to deliver the packages to a given location or used for any certain task are configured with Dijkstra&apos;s Algorithm module so that whenever the source and destination are known, the drone and robot will move in the ordered direction by following the shortest path keeping the time taken to a minimum in order to deliver the packages. </tr><tr><td>Designate the File Server:</td> Dijkstra&apos;s Algorithm is also used to designate a file server in a Local Area Network (LAN). Suppose that an infinite period of time is needed for the transmission of the files from one computer to another. So, to minimize the number of &apos;hops&apos; from the file server to every other computer on the network, we will use Dijkstra&apos;s Algorithm. This algorithm will return the shortest path between the networks resulting in the minimum number of hops. </tr></ol> <h2>The Conclusion</h2> <ul> <li>In the above tutorial, firstly, we have understood the basic concepts of Graph along with its types and applications.</li> <li>We then learned about Dijkstra&apos;s Algorithm and its history.</li> <li>We have also understood the fundamental working of Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of an example.</li> <li>After that, we studied how to write code for Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of Pseudocode.</li> <li>We observed its implementation in programming languages like C, C++, Java, and Python with proper outputs and explanations.</li> <li>We have also understood the Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm.</li> <li>Finally, we have discussed the advantages and disadvantages of Dijkstra&apos;s algorithm and some of its real-life applications.</li> </ul> <hr></nodes;></pre></size;></pre></size;></pre></distance[n]>

Explicaţie:

În fragmentul de cod de mai sus, am inclus stdio.h fișierul antet a definit două valori constante: INF = 9999 și MAX = 10 . Am declarat prototipul funcției și apoi am definit funcția pentru algoritmul lui Dijkstra ca Algoritmul Dijkstra care acceptă trei argumente - graficul format din noduri, numărul de noduri din grafic și nodul sursă. În cadrul acestei funcții, am definit unele structuri de date, cum ar fi o matrice 2D care va funcționa ca coadă de prioritate pentru algoritm, o matrice pentru a menține distanța dintre noduri, o matrice pentru a menține înregistrarea nodurilor anterioare, o matrice pentru a stoca informațiile nodurilor vizitate și unele variabile întregi pentru a stoca valoarea distanței minime, contorul, valoarea nodului următor și multe altele. Am folosit apoi a buclă for imbricată pentru a itera prin nodurile graficului și pentru a le adăuga în coada de prioritate în consecință. Am folosit din nou pentru buclă pentru a itera elementele din coada de prioritate pornind de la nodul sursă și a le actualiza distanțele. În afara buclei, am setat distanța nodului sursă ca 0 și l-a marcat ca fiind vizitat în noduri_vizitate[] matrice. Apoi setăm valoarea contorului ca una și am folosit in timp ce buclă care iterează prin numărul de noduri. În cadrul acestei bucle, am setat valoarea lui distanta_minima la fel de INF și a folosit pentru buclă pentru a actualiza valoarea distanta_minima variabilă cu valoarea minimă de la a distanţă[] matrice. Apoi am iterat prin nodurile vecine nevizitate ale nodului selectat folosind pentru buclă și a efectuat relaxare. Apoi am tipărit datele rezultate ale distanțelor calculate folosind algoritmul lui Dijkstra.

În principal funcția, am definit și declarat variabilele care reprezintă Graficul, numărul de noduri și nodul sursă. În cele din urmă, am sunat la Algoritmul Dijkstra() funcţionează prin trecerea parametrilor necesari.

Ca rezultat, cele mai scurte căi posibile necesare pentru fiecare nod de la nodul sursă sunt tipărite pentru utilizatori.

Cod pentru algoritmul lui Dijkstra în C++

Următoarea este implementarea algoritmului lui Dijkstra în limbajul de programare C++:

Fișier: DijkstraAlgorithm.cpp

 // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in C++ // importing the required header files #include #include // defining constant #define MAX_INT 10000000 // using the standard namespace using namespace std; // prototyping of the DijkstraAlgorithm() function void DijkstraAlgorithm(); // main function int main() { DijkstraAlgorithm(); return 0; } // declaring the classes class Vertex; class Edge; // prototyping the functions void Dijkstra(); vector* Adjacent_Remaining_Nodes(Vertex* vertex); Vertex* Extract_Smallest(vector&amp; vertices); int Distance(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo); bool Contains(vector&amp; vertices, Vertex* vertex); void Print_Shortest_Route_To(Vertex* des); // instantiating the classes vector vertices; vector edges; // defining the class for the vertices of the graph class Vertex { public: Vertex(char id) : id(id), prev(NULL), distance_from_start(MAX_INT) { vertices.push_back(this); } public: char id; Vertex* prev; int distance_from_start; }; // defining the class for the edges of the graph class Edge { public: Edge(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo, int distance) : vertexOne(vertexOne), vertexTwo(vertexTwo), distance(distance) { edges.push_back(this); } bool Connects(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo) public: Vertex* vertexOne; Vertex* vertexTwo; int distance; }; // defining the function to collect the details of the graph void DijkstraAlgorithm() { // declaring some vertices Vertex* vertex_a = new Vertex(&apos;A&apos;); Vertex* vertex_b = new Vertex(&apos;B&apos;); Vertex* vertex_c = new Vertex(&apos;C&apos;); Vertex* vertex_d = new Vertex(&apos;D&apos;); Vertex* vertex_e = new Vertex(&apos;E&apos;); Vertex* vertex_f = new Vertex(&apos;F&apos;); Vertex* vertex_g = new Vertex(&apos;G&apos;); // declaring some edges Edge* edge_1 = new Edge(vertex_a, vertex_c, 1); Edge* edge_2 = new Edge(vertex_a, vertex_d, 2); Edge* edge_3 = new Edge(vertex_b, vertex_c, 2); Edge* edge_4 = new Edge(vertex_c, vertex_d, 1); Edge* edge_5 = new Edge(vertex_b, vertex_f, 3); Edge* edge_6 = new Edge(vertex_c, vertex_e, 3); Edge* edge_7 = new Edge(vertex_e, vertex_f, 2); Edge* edge_8 = new Edge(vertex_d, vertex_g, 1); Edge* edge_9 = new Edge(vertex_g, vertex_f, 1); vertex_a -&gt; distance_from_start = 0; // setting a start vertex // calling the Dijkstra() function to find the shortest route possible Dijkstra(); // calling the Print_Shortest_Route_To() function to print the shortest route from the source vertex to the destination vertex Print_Shortest_Route_To(vertex_f); } // defining the function for Dijkstra&apos;s Algorithm void Dijkstra() { while (vertices.size() &gt; 0) { Vertex* smallest = Extract_Smallest(vertices); vector* adjacent_nodes = Adjacent_Remaining_Nodes(smallest); const int size = adjacent_nodes -&gt; size(); for (int i = 0; i at(i); int distance = Distance(smallest, adjacent) + smallest -&gt; distance_from_start; if (distance distance_from_start) { adjacent -&gt; distance_from_start = distance; adjacent -&gt; prev = smallest; } } delete adjacent_nodes; } } // defining the function to find the vertex with the shortest distance, removing it, and returning it Vertex* Extract_Smallest(vector&amp; vertices) { int size = vertices.size(); if (size == 0) return NULL; int smallest_position = 0; Vertex* smallest = vertices.at(0); for (int i = 1; i distance_from_start distance_from_start) { smallest = current; smallest_position = i; } } vertices.erase(vertices.begin() + smallest_position); return smallest; } // defining the function to return all vertices adjacent to &apos;vertex&apos; which are still in the &apos;vertices&apos; collection. vector* Adjacent_Remaining_Nodes(Vertex* vertex) { vector* adjacent_nodes = new vector(); const int size = edges.size(); for (int i = 0; i vertexOne == vertex) { adjacent = edge -&gt; vertexTwo; } else if (edge -&gt; vertexTwo == vertex) { adjacent = edge -&gt; vertexOne; } if (adjacent &amp;&amp; Contains(vertices, adjacent)) { adjacent_nodes -&gt; push_back(adjacent); } } return adjacent_nodes; } // defining the function to return distance between two connected vertices int Distance(Vertex* vertexOne, Vertex* vertexTwo) { const int size = edges.size(); for (int i = 0; i Connects(vertexOne, vertexTwo)) { return edge -&gt; distance; } } return -1; // should never happen } // defining the function to check if the &apos;vertices&apos; vector contains &apos;vertex&apos; bool Contains(vector&amp; vertices, Vertex* vertex) { const int size = vertices.size(); for (int i = 0; i <size; ++i) { if (vertex="=" vertices.at(i)) return true; } false; defining the function to print shortest route destination void print_shortest_route_to(vertex* des) vertex* prev="des;" cout << \'distance from start: \' < distance_from_start endl; while (prev) id prev; pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from start: 4 F G D A </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above code snippet, we included the <strong>&apos;iostream&apos;</strong> and <strong>&apos;vector&apos;</strong> header files and defined a constant value as <strong>MAX_INT = 10000000</strong> . We then used the standard namespace and prototyped the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function. We then defined the main function of the program within, which we have called the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function. After that, we declared some classes to create vertices and edges. We have also prototyped more functions to find the shortest possible path from the source vertex to the destination vertex and instantiated the Vertex and Edge classes. We then defined both classes to create the vertices and edges of the graph. We have then defined the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> function to create a graph and perform different operations. Inside this function, we have declared some vertices and edges. We then set the source vertex of the graph and called the <strong>Dijkstra()</strong> function to find the shortest possible distance and <strong>Print_Shortest_Route_To()</strong> function to print the shortest distance from the source vertex to vertex <strong>&apos;F&apos;</strong> . We have then defined the <strong>Dijkstra()</strong> function to calculate the shortest possible distances of the all the vertices from the source vertex. We have also defined some more functions to find the vertex with the shortest distance to return all the vertices adjacent to the remaining vertex, to return the distance between two connected vertices, to check if the selected vertex exists in the graph, and to print the shortest possible path from the source vertex to the destination vertex.</p> <p>As a result, the required shortest path for the vertex <strong>&apos;F&apos;</strong> from the source node is printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in Java</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the Java Programming Language:</p> <p> <strong>File: DijkstraAlgorithm.java</strong> </p> <pre> // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Java // defining the public class for Dijkstra&apos;s Algorithm public class DijkstraAlgorithm { // defining the method to implement Dijkstra&apos;s Algorithm public void dijkstraAlgorithm(int[][] graph, int source) { // number of nodes int nodes = graph.length; boolean[] visited_vertex = new boolean[nodes]; int[] dist = new int[nodes]; for (int i = 0; i <nodes; 0 1 i++) { visited_vertex[i]="false;" dist[i]="Integer.MAX_VALUE;" } distance of self loop is zero dist[source]="0;" for (int i="0;" < nodes; updating the between neighboring vertex and source int u="find_min_distance(dist," visited_vertex); visited_vertex[u]="true;" distances all vertices v="0;" v++) if (!visited_vertex[v] && graph[u][v] !="0" (dist[u] + dist[v])) dist[v]="dist[u]" graph[u][v]; dist.length; system.out.println(string.format(\'distance from %s to %s\', source, i, dist[i])); defining method find minimum private static find_min_distance(int[] dist, boolean[] visited_vertex) minimum_distance="Integer.MAX_VALUE;" minimum_distance_vertex="-1;" (!visited_vertex[i] minimum_distance) return minimum_distance_vertex; main function public void main(string[] args) declaring nodes graphs graph[][]="new" int[][] 0, 1, 2, }, 3, }; instantiating dijkstraalgorithm() class dijkstraalgorithm test="new" dijkstraalgorithm(); calling shortest node destination test.dijkstraalgorithm(graph, 0); pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from Vertex 0 to Vertex 0 is 0 Distance from Vertex 0 to Vertex 1 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 2 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 3 is 2 Distance from Vertex 0 to Vertex 4 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 5 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 6 is 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have defined a public class as <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> . Inside this class, we have defined a public method as <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> to find the shortest distance from the source vertex to the destination vertex. Inside this method, we have defined a variable to store the number of nodes. We have then defined a Boolean array to store the information regarding the visited vertices and an integer array to store their respective distances. Initially, we declared the values in both the arrays as <strong>False</strong> and <strong>MAX_VALUE</strong> , respectively. We have also set the distance of the source vertex as zero and used the <strong>for-loop</strong> to update the distance between the source vertex and destination vertices with the minimum distance. We have then updated the distances of the neighboring vertices of the selected vertex by performing relaxation and printed the shortest distances for every vertex. We have then defined a method to find the minimum distance from the source vertex to the destination vertex. We then defined the main function where we declared the vertices of the graph and instantiated the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> class. Finally, we have called the <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> method to find the shortest distance between the source vertex and the destination vertices.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in Python</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the Python Programming Language:</p> <p> <strong>File: DikstraAlgorithm.py</strong> </p> <pre> # Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Python # importing the sys module import sys # declaring the list of nodes for the graph nodes = [ [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [1, 1, 0, 1, 1, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # declaring the list of edges for the graph edges = [ [0, 0, 1, 0, 2, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 3, 0], [1, 2, 0, 1, 3, 0, 0], [2, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 3, 0, 0, 2, 0], [0, 3, 0, 0, 2, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # defining the function to find which node is to be visited next def toBeVisited(): global visitedAndDistance v = -10 for index in range(numberOfNodes): if visitedAndDistance[index][0] == 0 and (v <0 1 or visitedanddistance[index][1] <="visitedAndDistance[v][1]):" v="index" return # finding the number of nodes in graph numberofnodes="len(nodes[0])" visitedanddistance="[[0," 0]] for i range(numberofnodes - 1): visitedanddistance.append([0, sys.maxsize]) node range(numberofnodes): next to be visited tovisit="toBeVisited()" neighborindex updating new distances if nodes[tovisit][neighborindex]="=" and visitedanddistance[neighborindex][0]="=" 0: newdistance="visitedAndDistance[toVisit][1]" + edges[tovisit][neighborindex] visitedanddistance[neighborindex][1]> newDistance: visitedAndDistance[neighborIndex][1] = newDistance visitedAndDistance[toVisit][0] = 1 i = 0 # printing the distance for distance in visitedAndDistance: print(&apos;Distance of&apos;, chr(ord(&apos;A&apos;) + i), &apos;from source node:&apos;, distance[1]) i = i + 1 </0></pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance of A from source node: 0 Distance of B from source node: 3 Distance of C from source node: 1 Distance of D from source node: 2 Distance of E from source node: 2 Distance of F from source node: 4 Distance of G from source node: 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have imported the <strong>sys</strong> module and declared the lists consisting of the values for the nodes and edges. We have then defined a function as <strong>toBeVisited()</strong> to find which node will be visited next. We then found the total number of nodes in the graph and set the initial distances for every node. We have then calculated the minimum distance from the source node to the destination node, performed relaxation on neighboring nodes, and updated the distances in the list. We then printed those distances from the list for the users.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h2>Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <ul> <li>The Time Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is <strong>O(E log V)</strong> , where E is the number of edges and V is the number of vertices.</li> <li>The Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is O(V), where V is the number of vertices.</li> </ul> <h2>Advantages and Disadvantages of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Let us discuss some advantages of Dijkstra&apos;s Algorithm:</strong> </p> <ol class="points"> <li>One primary advantage of using Dijkstra&apos;s Algorithm is that it has an almost linear time and space complexity.</li> <li>We can use this algorithm to calculate the shortest path from a single vertex to all other vertices and a single source vertex to a single destination vertex by stopping the algorithm once we get the shortest distance for the destination vertex.</li> <li>This algorithm only works for directed weighted graphs, and all the edges of this graph should be non-negative.</li> </ol> <p> <strong>Despite having multiple advantages, Dijkstra&apos;s algorithm has some disadvantages also, such as:</strong> </p> <ol class="points"> <li>Dijkstra&apos;s Algorithm performs a concealed exploration that utilizes a lot of time during the process.</li> <li>This algorithm is impotent to handle negative edges.</li> <li>Since this algorithm heads to the acyclic graph, it cannot calculate the exact shortest path.</li> <li>It also requires maintenance to keep a record of vertices that have been visited.</li> </ol> <h2>Some Applications of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Dijkstra&apos;s Algorithm has various real-world applications, some of which are stated below:</strong> </p> <ol class="points"> <tr><td>Digital Mapping Services in Google Maps:</td> There are various times when we have tried to find the distance in Google Maps either from our location to the nearest preferred location or from one city to another, which comprises multiple routes/paths connecting them; however, the application must display the minimum distance. This is only possible because Dijkstra&apos;s algorithm helps the application find the shortest between two given locations along the path. Let us consider the USA as a graph wherein the cities/places are represented as vertices, and the routes between two cities/places are represented as edges. Then with the help of Dijkstra&apos;s Algorithm, we can calculate the shortest routes between any two cities/places. </tr><tr><td>Social Networking Applications:</td> In many applications like Facebook, Twitter, Instagram, and more, many of us might have observed that these apps suggest the list of friends that a specific user may know. How do many social media companies implement this type of feature in an efficient and effective way, specifically when the system has over a billion users? The answer to this question is Dijkstra&apos;s Algorithm. The standard Dijkstra&apos;s Algorithm is generally used to estimate the shortest distance between the users measured through the connections or mutuality among them. When social networking is very small, it uses the standard Dijkstra&apos;s Algorithm in addition to some other features in order to determine the shortest paths. However, when the graph is much bigger, the standard algorithm takes several seconds to count, and thus, some advanced algorithms are used as the alternative. </tr><tr><td>Telephone Network:</td> As some of us might know, in a telephone network, each transmission line has a bandwidth, &apos;b&apos;. The bandwidth is the highest frequency that the transmission line can support. In general, if the frequency of the signal is higher in a specific line, the signal is reduced by that line. Bandwidth represents the amount of information that can be transmitted by the line. Let us consider a city a graph wherein the switching stations are represented using the vertices, the transmission lines are represented as the edges, and the bandwidth, &apos;b&apos;, is represented using the weight of the edges. Thus, as we can observe, the telephone network can also fall into the category of the shortest distance problem and can be solved using Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>Flight Program:</td> Suppose that a person requires software to prepare an agenda of flights for customers. The agent has access to a database with all flights and airports. In addition to the flight number, origin airport, and destination, the flights also have departure and arrival times. So, in order to determine the earliest arrival time for the selected destination from the original airport and given start time, the agents make use of Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>IP routing to find Open Shortest Path First:</td> Open Shortest Path First (abbreviated as OSPF) is a link-state routing protocol used to find the best path between the source and destination router with the help of its own Shortest Path First. Dijkstra&apos;s Algorithm is extensively utilized in the routing protocols required by the routers in order to update their forwarding table. The algorithm gives the shortest cost path from the source router to the other routers present in the network. </tr><tr><td>Robotic Path:</td> These days, drones and robots have come into existence, some operated manually and some automatically. The drones and robots which are operated automatically and used to deliver the packages to a given location or used for any certain task are configured with Dijkstra&apos;s Algorithm module so that whenever the source and destination are known, the drone and robot will move in the ordered direction by following the shortest path keeping the time taken to a minimum in order to deliver the packages. </tr><tr><td>Designate the File Server:</td> Dijkstra&apos;s Algorithm is also used to designate a file server in a Local Area Network (LAN). Suppose that an infinite period of time is needed for the transmission of the files from one computer to another. So, to minimize the number of &apos;hops&apos; from the file server to every other computer on the network, we will use Dijkstra&apos;s Algorithm. This algorithm will return the shortest path between the networks resulting in the minimum number of hops. </tr></ol> <h2>The Conclusion</h2> <ul> <li>In the above tutorial, firstly, we have understood the basic concepts of Graph along with its types and applications.</li> <li>We then learned about Dijkstra&apos;s Algorithm and its history.</li> <li>We have also understood the fundamental working of Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of an example.</li> <li>After that, we studied how to write code for Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of Pseudocode.</li> <li>We observed its implementation in programming languages like C, C++, Java, and Python with proper outputs and explanations.</li> <li>We have also understood the Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm.</li> <li>Finally, we have discussed the advantages and disadvantages of Dijkstra&apos;s algorithm and some of its real-life applications.</li> </ul> <hr></nodes;></pre></size;>

Explicaţie:

În fragmentul de cod de mai sus, am inclus „iostream” și 'vector' fișiere de antet și a definit o valoare constantă ca MAX_INT = 10000000 . Apoi am folosit spațiul de nume standard și am creat prototipul Algoritmul Dijkstra() funcţie. Apoi am definit funcția principală a programului, pe care am numit-o Algoritmul Dijkstra() funcţie. După aceea, am declarat câteva clase pentru a crea vârfuri și muchii. De asemenea, am creat prototipuri mai multe funcții pentru a găsi cea mai scurtă cale posibilă de la vârful sursă la vârful destinație și am instanțiat clasele Vertex și Edge. Am definit apoi ambele clase pentru a crea vârfurile și muchiile graficului. Am definit apoi Algoritmul Dijkstra() funcția de a crea un grafic și de a efectua diferite operații. În cadrul acestei funcții, am declarat câteva vârfuri și muchii. Apoi setăm vârful sursă al graficului și numim Dijkstra() funcţia de a găsi cea mai scurtă distanţă posibilă şi Print_Short_Route_To() funcția pentru a imprima cea mai scurtă distanță de la vârful sursă la vârf 'F' . Am definit apoi Dijkstra() funcția de a calcula cele mai scurte distanțe posibile ale tuturor vârfurilor de la vârful sursă. De asemenea, am mai definit câteva funcții pentru a găsi vârful cu distanța cea mai scurtă pentru a returna toate vârfurile adiacente vârfului rămas, pentru a returna distanța dintre două vârfuri conectate, pentru a verifica dacă vârful selectat există în grafic și pentru a imprima calea cea mai scurtă posibilă de la vârful sursă la vârful destinație.

Ca rezultat, calea cea mai scurtă necesară pentru vârf 'F' din nodul sursă este tipărită pentru utilizatori.

Cod pentru algoritmul lui Dijkstra în Java

Următoarea este implementarea algoritmului lui Dijkstra în limbajul de programare Java:

Fișier: DijkstraAlgorithm.java

 // Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Java // defining the public class for Dijkstra&apos;s Algorithm public class DijkstraAlgorithm { // defining the method to implement Dijkstra&apos;s Algorithm public void dijkstraAlgorithm(int[][] graph, int source) { // number of nodes int nodes = graph.length; boolean[] visited_vertex = new boolean[nodes]; int[] dist = new int[nodes]; for (int i = 0; i <nodes; 0 1 i++) { visited_vertex[i]="false;" dist[i]="Integer.MAX_VALUE;" } distance of self loop is zero dist[source]="0;" for (int i="0;" < nodes; updating the between neighboring vertex and source int u="find_min_distance(dist," visited_vertex); visited_vertex[u]="true;" distances all vertices v="0;" v++) if (!visited_vertex[v] && graph[u][v] !="0" (dist[u] + dist[v])) dist[v]="dist[u]" graph[u][v]; dist.length; system.out.println(string.format(\'distance from %s to %s\', source, i, dist[i])); defining method find minimum private static find_min_distance(int[] dist, boolean[] visited_vertex) minimum_distance="Integer.MAX_VALUE;" minimum_distance_vertex="-1;" (!visited_vertex[i] minimum_distance) return minimum_distance_vertex; main function public void main(string[] args) declaring nodes graphs graph[][]="new" int[][] 0, 1, 2, }, 3, }; instantiating dijkstraalgorithm() class dijkstraalgorithm test="new" dijkstraalgorithm(); calling shortest node destination test.dijkstraalgorithm(graph, 0); pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance from Vertex 0 to Vertex 0 is 0 Distance from Vertex 0 to Vertex 1 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 2 is 1 Distance from Vertex 0 to Vertex 3 is 2 Distance from Vertex 0 to Vertex 4 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 5 is 4 Distance from Vertex 0 to Vertex 6 is 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have defined a public class as <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> . Inside this class, we have defined a public method as <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> to find the shortest distance from the source vertex to the destination vertex. Inside this method, we have defined a variable to store the number of nodes. We have then defined a Boolean array to store the information regarding the visited vertices and an integer array to store their respective distances. Initially, we declared the values in both the arrays as <strong>False</strong> and <strong>MAX_VALUE</strong> , respectively. We have also set the distance of the source vertex as zero and used the <strong>for-loop</strong> to update the distance between the source vertex and destination vertices with the minimum distance. We have then updated the distances of the neighboring vertices of the selected vertex by performing relaxation and printed the shortest distances for every vertex. We have then defined a method to find the minimum distance from the source vertex to the destination vertex. We then defined the main function where we declared the vertices of the graph and instantiated the <strong>DijkstraAlgorithm()</strong> class. Finally, we have called the <strong>dijkstraAlgorithm()</strong> method to find the shortest distance between the source vertex and the destination vertices.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h3>Code for Dijkstra&apos;s Algorithm in Python</h3> <p>The following is the implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in the Python Programming Language:</p> <p> <strong>File: DikstraAlgorithm.py</strong> </p> <pre> # Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Python # importing the sys module import sys # declaring the list of nodes for the graph nodes = [ [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [1, 1, 0, 1, 1, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # declaring the list of edges for the graph edges = [ [0, 0, 1, 0, 2, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 3, 0], [1, 2, 0, 1, 3, 0, 0], [2, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 3, 0, 0, 2, 0], [0, 3, 0, 0, 2, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # defining the function to find which node is to be visited next def toBeVisited(): global visitedAndDistance v = -10 for index in range(numberOfNodes): if visitedAndDistance[index][0] == 0 and (v <0 1 or visitedanddistance[index][1] <="visitedAndDistance[v][1]):" v="index" return # finding the number of nodes in graph numberofnodes="len(nodes[0])" visitedanddistance="[[0," 0]] for i range(numberofnodes - 1): visitedanddistance.append([0, sys.maxsize]) node range(numberofnodes): next to be visited tovisit="toBeVisited()" neighborindex updating new distances if nodes[tovisit][neighborindex]="=" and visitedanddistance[neighborindex][0]="=" 0: newdistance="visitedAndDistance[toVisit][1]" + edges[tovisit][neighborindex] visitedanddistance[neighborindex][1]> newDistance: visitedAndDistance[neighborIndex][1] = newDistance visitedAndDistance[toVisit][0] = 1 i = 0 # printing the distance for distance in visitedAndDistance: print(&apos;Distance of&apos;, chr(ord(&apos;A&apos;) + i), &apos;from source node:&apos;, distance[1]) i = i + 1 </0></pre> <p> <strong>Output</strong> </p> <pre> Distance of A from source node: 0 Distance of B from source node: 3 Distance of C from source node: 1 Distance of D from source node: 2 Distance of E from source node: 2 Distance of F from source node: 4 Distance of G from source node: 3 </pre> <p> <strong>Explanation:</strong> </p> <p>In the above snippet of code, we have imported the <strong>sys</strong> module and declared the lists consisting of the values for the nodes and edges. We have then defined a function as <strong>toBeVisited()</strong> to find which node will be visited next. We then found the total number of nodes in the graph and set the initial distances for every node. We have then calculated the minimum distance from the source node to the destination node, performed relaxation on neighboring nodes, and updated the distances in the list. We then printed those distances from the list for the users.</p> <p>As a result, the required shortest possible paths for every node from the source node are printed for the users.</p> <h2>Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <ul> <li>The Time Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is <strong>O(E log V)</strong> , where E is the number of edges and V is the number of vertices.</li> <li>The Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm is O(V), where V is the number of vertices.</li> </ul> <h2>Advantages and Disadvantages of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Let us discuss some advantages of Dijkstra&apos;s Algorithm:</strong> </p> <ol class="points"> <li>One primary advantage of using Dijkstra&apos;s Algorithm is that it has an almost linear time and space complexity.</li> <li>We can use this algorithm to calculate the shortest path from a single vertex to all other vertices and a single source vertex to a single destination vertex by stopping the algorithm once we get the shortest distance for the destination vertex.</li> <li>This algorithm only works for directed weighted graphs, and all the edges of this graph should be non-negative.</li> </ol> <p> <strong>Despite having multiple advantages, Dijkstra&apos;s algorithm has some disadvantages also, such as:</strong> </p> <ol class="points"> <li>Dijkstra&apos;s Algorithm performs a concealed exploration that utilizes a lot of time during the process.</li> <li>This algorithm is impotent to handle negative edges.</li> <li>Since this algorithm heads to the acyclic graph, it cannot calculate the exact shortest path.</li> <li>It also requires maintenance to keep a record of vertices that have been visited.</li> </ol> <h2>Some Applications of Dijkstra&apos;s Algorithm</h2> <p> <strong>Dijkstra&apos;s Algorithm has various real-world applications, some of which are stated below:</strong> </p> <ol class="points"> <tr><td>Digital Mapping Services in Google Maps:</td> There are various times when we have tried to find the distance in Google Maps either from our location to the nearest preferred location or from one city to another, which comprises multiple routes/paths connecting them; however, the application must display the minimum distance. This is only possible because Dijkstra&apos;s algorithm helps the application find the shortest between two given locations along the path. Let us consider the USA as a graph wherein the cities/places are represented as vertices, and the routes between two cities/places are represented as edges. Then with the help of Dijkstra&apos;s Algorithm, we can calculate the shortest routes between any two cities/places. </tr><tr><td>Social Networking Applications:</td> In many applications like Facebook, Twitter, Instagram, and more, many of us might have observed that these apps suggest the list of friends that a specific user may know. How do many social media companies implement this type of feature in an efficient and effective way, specifically when the system has over a billion users? The answer to this question is Dijkstra&apos;s Algorithm. The standard Dijkstra&apos;s Algorithm is generally used to estimate the shortest distance between the users measured through the connections or mutuality among them. When social networking is very small, it uses the standard Dijkstra&apos;s Algorithm in addition to some other features in order to determine the shortest paths. However, when the graph is much bigger, the standard algorithm takes several seconds to count, and thus, some advanced algorithms are used as the alternative. </tr><tr><td>Telephone Network:</td> As some of us might know, in a telephone network, each transmission line has a bandwidth, &apos;b&apos;. The bandwidth is the highest frequency that the transmission line can support. In general, if the frequency of the signal is higher in a specific line, the signal is reduced by that line. Bandwidth represents the amount of information that can be transmitted by the line. Let us consider a city a graph wherein the switching stations are represented using the vertices, the transmission lines are represented as the edges, and the bandwidth, &apos;b&apos;, is represented using the weight of the edges. Thus, as we can observe, the telephone network can also fall into the category of the shortest distance problem and can be solved using Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>Flight Program:</td> Suppose that a person requires software to prepare an agenda of flights for customers. The agent has access to a database with all flights and airports. In addition to the flight number, origin airport, and destination, the flights also have departure and arrival times. So, in order to determine the earliest arrival time for the selected destination from the original airport and given start time, the agents make use of Dijkstra&apos;s Algorithm. </tr><tr><td>IP routing to find Open Shortest Path First:</td> Open Shortest Path First (abbreviated as OSPF) is a link-state routing protocol used to find the best path between the source and destination router with the help of its own Shortest Path First. Dijkstra&apos;s Algorithm is extensively utilized in the routing protocols required by the routers in order to update their forwarding table. The algorithm gives the shortest cost path from the source router to the other routers present in the network. </tr><tr><td>Robotic Path:</td> These days, drones and robots have come into existence, some operated manually and some automatically. The drones and robots which are operated automatically and used to deliver the packages to a given location or used for any certain task are configured with Dijkstra&apos;s Algorithm module so that whenever the source and destination are known, the drone and robot will move in the ordered direction by following the shortest path keeping the time taken to a minimum in order to deliver the packages. </tr><tr><td>Designate the File Server:</td> Dijkstra&apos;s Algorithm is also used to designate a file server in a Local Area Network (LAN). Suppose that an infinite period of time is needed for the transmission of the files from one computer to another. So, to minimize the number of &apos;hops&apos; from the file server to every other computer on the network, we will use Dijkstra&apos;s Algorithm. This algorithm will return the shortest path between the networks resulting in the minimum number of hops. </tr></ol> <h2>The Conclusion</h2> <ul> <li>In the above tutorial, firstly, we have understood the basic concepts of Graph along with its types and applications.</li> <li>We then learned about Dijkstra&apos;s Algorithm and its history.</li> <li>We have also understood the fundamental working of Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of an example.</li> <li>After that, we studied how to write code for Dijkstra&apos;s Algorithm with the help of Pseudocode.</li> <li>We observed its implementation in programming languages like C, C++, Java, and Python with proper outputs and explanations.</li> <li>We have also understood the Time and Space Complexity of Dijkstra&apos;s Algorithm.</li> <li>Finally, we have discussed the advantages and disadvantages of Dijkstra&apos;s algorithm and some of its real-life applications.</li> </ul> <hr></nodes;>

Explicaţie:

În fragmentul de cod de mai sus, am definit o clasă publică ca Algoritmul Dijkstra() . În cadrul acestei clase, am definit o metodă publică ca dijkstraAlgorithm() pentru a găsi cea mai scurtă distanță de la vârful sursă la vârful destinație. În cadrul acestei metode, am definit o variabilă pentru a stoca numărul de noduri. Am definit apoi o matrice booleană pentru a stoca informațiile referitoare la vârfurile vizitate și un tablou întreg pentru a stoca distanțele respective. Inițial, am declarat valorile din ambele matrice ca Fals și MAX_VALUE , respectiv. Am stabilit, de asemenea, distanța vârfului sursă la zero și am folosit pentru buclă pentru a actualiza distanța dintre vârful sursă și vârfurile destinație cu distanța minimă. Apoi am actualizat distanțele vârfurilor învecinate ale vârfului selectat prin relaxarea și am imprimat cele mai scurte distanțe pentru fiecare vârf. Am definit apoi o metodă pentru a găsi distanța minimă de la vârful sursă la vârful destinație. Apoi am definit funcția principală în care am declarat vârfurile graficului și am instanțiat Algoritmul Dijkstra() clasă. În cele din urmă, am numit dijkstraAlgorithm() metoda de a găsi cea mai scurtă distanță între vârful sursă și vârfurile destinație.

Ca rezultat, cele mai scurte căi posibile necesare pentru fiecare nod de la nodul sursă sunt tipărite pentru utilizatori.

Cod pentru algoritmul lui Dijkstra în Python

Următoarea este implementarea algoritmului lui Dijkstra în limbajul de programare Python:

Fișier: DikstraAlgorithm.py

 # Implementation of Dijkstra&apos;s Algorithm in Python # importing the sys module import sys # declaring the list of nodes for the graph nodes = [ [0, 0, 1, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [1, 1, 0, 1, 1, 0, 0], [1, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 1, 0, 0, 1, 0], [0, 1, 0, 0, 1, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # declaring the list of edges for the graph edges = [ [0, 0, 1, 0, 2, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 3, 0], [1, 2, 0, 1, 3, 0, 0], [2, 0, 1, 0, 0, 0, 1], [0, 0, 3, 0, 0, 2, 0], [0, 3, 0, 0, 2, 0, 1], [0, 0, 0, 1, 0, 1, 0] ] # defining the function to find which node is to be visited next def toBeVisited(): global visitedAndDistance v = -10 for index in range(numberOfNodes): if visitedAndDistance[index][0] == 0 and (v <0 1 or visitedanddistance[index][1] <="visitedAndDistance[v][1]):" v="index" return # finding the number of nodes in graph numberofnodes="len(nodes[0])" visitedanddistance="[[0," 0]] for i range(numberofnodes - 1): visitedanddistance.append([0, sys.maxsize]) node range(numberofnodes): next to be visited tovisit="toBeVisited()" neighborindex updating new distances if nodes[tovisit][neighborindex]="=" and visitedanddistance[neighborindex][0]="=" 0: newdistance="visitedAndDistance[toVisit][1]" + edges[tovisit][neighborindex] visitedanddistance[neighborindex][1]> newDistance: visitedAndDistance[neighborIndex][1] = newDistance visitedAndDistance[toVisit][0] = 1 i = 0 # printing the distance for distance in visitedAndDistance: print(&apos;Distance of&apos;, chr(ord(&apos;A&apos;) + i), &apos;from source node:&apos;, distance[1]) i = i + 1 </0>

Ieșire

 Distance of A from source node: 0 Distance of B from source node: 3 Distance of C from source node: 1 Distance of D from source node: 2 Distance of E from source node: 2 Distance of F from source node: 4 Distance of G from source node: 3 

Explicaţie:

În fragmentul de cod de mai sus, am importat sys modul și a declarat listele formate din valorile pentru noduri și margini. Am definit apoi o funcție ca de vizitat() pentru a afla ce nod va fi vizitat în continuare. Apoi am găsit numărul total de noduri din grafic și am stabilit distanțele inițiale pentru fiecare nod. Apoi am calculat distanța minimă de la nodul sursă la nodul destinație, am efectuat relaxarea nodurilor învecinate și am actualizat distanțele din listă. Am imprimat apoi acele distante din lista pentru utilizatori.

Ca rezultat, cele mai scurte căi posibile necesare pentru fiecare nod de la nodul sursă sunt tipărite pentru utilizatori.

Complexitatea în timp și spațiu a algoritmului lui Dijkstra

  • Complexitatea timpului a algoritmului lui Dijkstra este O(E log V) , unde E este numărul de muchii și V este numărul de vârfuri.
  • Complexitatea spațială a algoritmului lui Dijkstra este O(V), unde V este numărul de vârfuri.

Avantajele și dezavantajele algoritmului Dijkstra

Să discutăm câteva avantaje ale algoritmului lui Dijkstra:

  1. Un avantaj principal al utilizării algoritmului lui Dijkstra este că are o complexitate aproape liniară în timp și spațiu.
  2. Putem folosi acest algoritm pentru a calcula calea cea mai scurtă de la un singur vârf la toate celelalte vârfuri și un singur vârf sursă la un singur vârf de destinație, oprind algoritmul odată ce obținem cea mai scurtă distanță pentru vârful de destinație.
  3. Acest algoritm funcționează numai pentru graficele ponderate direcționate, iar toate marginile acestui grafic ar trebui să fie nenegative.

În ciuda faptului că are multiple avantaje, algoritmul lui Dijkstra are și câteva dezavantaje, cum ar fi:

  1. Algoritmul lui Dijkstra realizează o explorare ascunsă care utilizează mult timp în timpul procesului.
  2. Acest algoritm este impotent să gestioneze marginile negative.
  3. Deoarece acest algoritm se îndreaptă către graficul aciclic, nu poate calcula exact cea mai scurtă cale.
  4. De asemenea, necesită întreținere pentru a păstra o evidență a vârfurilor care au fost vizitate.

Câteva aplicații ale algoritmului lui Dijkstra

Algoritmul lui Dijkstra are diverse aplicații în lumea reală, dintre care unele sunt menționate mai jos:

    Servicii de cartografiere digitală în Google Maps:Sunt diferite momente în care am încercat să găsim distanța în Google Maps fie de la locația noastră până la cea mai apropiată locație preferată, fie de la un oraș la altul, care cuprinde mai multe rute/căi care le leagă; cu toate acestea, aplicația trebuie să afișeze distanța minimă. Acest lucru este posibil doar deoarece algoritmul lui Dijkstra ajută aplicația să găsească cea mai scurtă dintre două locații date de-a lungul căii. Să considerăm SUA ca un grafic în care orașele/locurile sunt reprezentate ca vârfuri, iar rutele dintre două orașe/locuri sunt reprezentate ca muchii. Apoi, cu ajutorul algoritmului lui Dijkstra, putem calcula cele mai scurte rute între oricare două orașe/locuri.Aplicații de rețele sociale:În multe aplicații precum Facebook, Twitter, Instagram și multe altele, mulți dintre noi ar fi putut observa că aceste aplicații sugerează lista de prieteni pe care un anumit utilizator le poate cunoaște. Cum multe companii de social media implementează acest tip de caracteristică într-un mod eficient și eficient, mai ales atunci când sistemul are peste un miliard de utilizatori? Răspunsul la această întrebare este algoritmul lui Dijkstra. Algoritmul standard Dijkstra este utilizat în general pentru a estima distanța cea mai scurtă dintre utilizatori măsurată prin conexiunile sau reciprocitatea dintre aceștia. Când rețeaua socială este foarte mică, utilizează algoritmul standard Dijkstra, în plus față de alte caracteristici, pentru a determina cele mai scurte căi. Cu toate acestea, atunci când graficul este mult mai mare, algoritmul standard durează câteva secunde pentru a număra și, astfel, unii algoritmi avansați sunt utilizați ca alternativă.Rețea telefonică:După cum unii dintre noi ar putea ști, într-o rețea de telefonie, fiecare linie de transmisie are o lățime de bandă, „b”. Lățimea de bandă este cea mai mare frecvență pe care o poate suporta linia de transmisie. În general, dacă frecvența semnalului este mai mare într-o anumită linie, semnalul este redus de acea linie. Lățimea de bandă reprezintă cantitatea de informații care poate fi transmisă de linie. Să considerăm un oraș un grafic în care stațiile de comutare sunt reprezentate folosind vârfuri, liniile de transmisie sunt reprezentate ca margini, iar lățimea de bandă, „b”, este reprezentată folosind greutatea marginilor. Astfel, după cum putem observa, rețeaua de telefonie poate intra și în categoria problemei celei mai scurte distanțe și poate fi rezolvată folosind algoritmul lui Dijkstra.Program de zbor:Să presupunem că o persoană are nevoie de software pentru a pregăti o agendă de zboruri pentru clienți. Agentul are acces la o bază de date cu toate zborurile și aeroporturile. Pe lângă numărul zborului, aeroportul de origine și destinația, zborurile au și ore de plecare și de sosire. Deci, pentru a determina cea mai devreme oră de sosire pentru destinația selectată de la aeroportul inițial și ora de începere dată, agenții folosesc algoritmul Dijkstra.Rutarea IP pentru a găsi mai întâi calea cea mai scurtă deschisă:Open Shortest Path First (abreviat OSPF) este un protocol de rutare în stare de legătură folosit pentru a găsi cea mai bună cale între ruterul sursă și destinație cu ajutorul propriului său Shortest Path First. Algoritmul Dijkstra este utilizat pe scară largă în protocoalele de rutare cerute de routere pentru a-și actualiza tabelul de redirecționare. Algoritmul oferă cea mai scurtă cale de cost de la routerul sursă la celelalte routere prezente în rețea.Calea robotică:În zilele noastre au apărut drone și roboți, unii acționați manual, iar alții automat. Dronele și roboții care sunt operați automat și utilizați pentru a livra pachetele într-o anumită locație sau utilizați pentru orice anumită sarcină sunt configurați cu modulul algoritm al lui Dijkstra, astfel încât ori de câte ori sursa și destinația sunt cunoscute, drona și robotul se vor deplasa în direcția ordonată. urmând calea cea mai scurtă menținând timpul necesar pentru livrarea pachetelor.Desemnați serverul de fișiere:Algoritmul Dijkstra este, de asemenea, utilizat pentru a desemna un server de fișiere într-o rețea locală (LAN). Să presupunem că este nevoie de o perioadă infinită de timp pentru transmiterea fișierelor de la un computer la altul. Deci, pentru a minimiza numărul de „sări” de la serverul de fișiere la orice alt computer din rețea, vom folosi algoritmul Dijkstra. Acest algoritm va returna calea cea mai scurtă între rețele, rezultând numărul minim de hopuri.

Concluzia

  • În tutorialul de mai sus, în primul rând, am înțeles conceptele de bază ale Graph împreună cu tipurile și aplicațiile sale.
  • Am aflat apoi despre algoritmul lui Dijkstra și despre istoria acestuia.
  • Am înțeles, de asemenea, funcționarea fundamentală a algoritmului lui Dijkstra cu ajutorul unui exemplu.
  • După aceea, am studiat cum să scriem cod pentru algoritmul lui Dijkstra cu ajutorul Pseudocode.
  • Am observat implementarea sa în limbaje de programare precum C, C++, Java și Python cu rezultate și explicații adecvate.
  • Am înțeles și complexitatea timpului și spațiului algoritmului lui Dijkstra.
  • În cele din urmă, am discutat despre avantajele și dezavantajele algoritmului lui Dijkstra și unele dintre aplicațiile sale din viața reală.