Johnson のアルゴリズム

これはステージング環境です。5 秒後に自動的に本番環境 (https://dic.kimiyuki.net) にリダイレクトされます。リダイレクトを抑止したい場合は #noredirect を付けた URL /johnson-algorithm#noredirect を利用してください。
name
Johnson のアルゴリズム
short description
Johnson のアルゴリズムとは、全点対間最短経路問題を解くアルゴリズムのひとつ。負閉路が存在しない場合に動作する。$O(\lvert V \rvert ^ 2 \log \lvert V \rvert + \lvert V \rvert\lvert E \rvert)$ で動く。
input
辺重み $c : E \to \mathbb{R}$ 付き有向グラフ $G = (V, E)$ であって負閉路を持たないもの
output
各頂点の組 $(s, t) \in V \times V$ に対し $s$-$t$ 最短路長
time complexity
$O(\lvert V \rvert ^ 2 \log \lvert V \rvert + \lvert V \rvert\lvert E \rvert)$
space complexity
$O(\lvert V \rvert + \lvert E \rvert)$

概要

Johnson のアルゴリズムとは、全点対間最短経路問題を解くアルゴリズムのひとつ。 辺重み $c$ 付き有向グラフ $G = (V, E) $ であって負閉路を持たないものを入力とする。 その辺重み $c$ を、以下の2つの性質を満たすように再重み付けをし、辺重み $\hat{c}$ に更新する。

  1. 任意の頂点の組 $(u, v) \in V \times V$ と任意の $u, v$ 間の道に対して「その道が辺重み $c$ における $u$ から $v$ への最短路であること」と「その道が辺重み $\hat{c}$ における $u$ から $v$ への最短路であること」が同値である。

  2. $\forall (u, v) \in E, \ \hat{c} (u, v) \geq 0$

再重み付けは、 Bellman-Ford 法を用いて、$ O(\lvert V \rvert \lvert E \rvert) $ で可能である。再重み付けされたグラフは、辺重みが非負実数であることから、 Dijkstra 法 を用いることができるので、$V$ の各頂点において、フィボナッチヒープを用いた Dijkstra 法をすることで、 $O(\lvert V \rvert ^ 2 \log \lvert V \rvert + \lvert V \rvert\lvert E \rvert)$ で全点対間最短経路問題を解くことができる。

グラフの再重み付け

$G = (V, E)$ を負閉路が存在しない辺重み $c$ 付き有向グラフとする。$G$ に超頂点 $s$ を導入した有向グラフ $G' = (V', E')$ (ただし $V' = V \cup \lbrace s \rbrace$, $E' = E \cup \lbrace(s, v) : v \in V \rbrace$) を考える。全ての $v \in V$ に対して、 $c(s, v) = 0$ と定義し、辺重みを拡張する。このとき、$G$ の任意の頂点の組 $(u, v) \in V \times V$ について、$G'$ での辺重み $c$ における $u$-$v$ 最短経路長は、$G$ での 辺重み $c$ における $u$-$v$ 最短経路長と一致する。このことから、 $G'$ における全点対間最短経路問題を解くことで、 $G$ の全点対間最短経路問題を解くことができる。再重み付けをした辺重み $\hat{c}$ を \(\hat{c}(u,v) = c(u, v) + \delta (s, u) - \delta (s, v)\) のように定義することで、概要で述べた再重み付けの性質を持つことを述べる。ただし、 $\delta (u, v), \ (u, v) \in V' \times V'$ は辺重み $c$ における $u$ から $v$ への最短経路長である。

性質1. について

$p = \langle v _ 0, v _ 1, \dots, v _ {k - 1}\rangle$ を $v _ 0$ から $v _ {k - 1}$ への道とする。このとき、辺重み $\hat{c}$ 上での $p$ の経路長は、 \(\hat{c} (p) = \displaystyle \sum _ {n = 1} ^ {k - 1} \hat{c} (v _ {n - 1}, v _ {n}) = c(p) + \delta (s, v _ 0) - \delta (s, v _ {k - 1})\) となる。 $\delta (s, v _ 0), \delta (s, v _ {k - 1})$ は $p$ に依存しないので、 $p$ が辺重み $c$ における $v _ 0$ から $v _ {k - 1}$ の最短経路であることと、 辺重み $\hat{c}$ における $v _ 0$ から $v _ {k - 1}$ の最短経路であることは同値である。

性質2. について

辺重み $c$ において、$G$ が負閉路を持たないとき、 $G'$ も負閉路を持たない。このことから、 \(\forall u, v \in V' ,\ \delta (s, v) \leq \delta (s, u) + c(u, v)\) が成り立つ。よって、 \(\hat{c}(u,v) = c(u, v) + \delta (s, u) - \delta (s, v) \geq 0\) となる。

以上から、 すべての $v \in V'$ における $\delta (s, v)$ が求まれば、グラフの再重み付けをすることができ、これは Bellman-Ford 法 を用いて、 $ O(\lvert V \rvert \lvert E \rvert) $ で可能である。

関連項目