Chương 3·Bài 3.5

Shortest Paths

Đi từ nhà tới trường: tuyến đường ít ngã rẽ nhất chưa chắc là tuyến nhanh nhất. BFS (bài 3.1) chỉ tìm đường ít cạnh nhất, đúng khi mọi cạnh dài như nhau. Cạnh có độ dài khác nhau cần thuật toán khác.

Dijkstra cho độ dài không âm, BFS 0-1 khi độ dài chỉ là 0 và 1, Bellman-Ford khi có cạnh âm, Floyd-Warshall khi cần khoảng cách giữa mọi cặp đỉnh. Phần lớn công sức trong bài thi nằm ở chỗ dựng đồ thị: thêm trạng thái vào đỉnh, thêm nguồn ảo, đổi trọng số, để bài toán thành một lần chạy thuật toán chuẩn.

Dijkstra

Giữ dvd_v là độ dài đường tốt nhất đã biết từ nguồn tới vv, ban đầu ds=0d_s = 0, còn lại ∞\infty. Nới lỏng cạnh u→vu \to v dài ww: nếu du+w<dvd_u + w < d_v thì gán dv=du+wd_v = d_u + w. Dijkstra lặp: lấy đỉnh chưa chốt có dd nhỏ nhất, chốt nó, rồi nới mọi cạnh đi ra.

Vì sao đỉnh có dd nhỏ nhất đã đúng? Mọi đường tới nó phải rời tập đã chốt qua một cạnh nào đó tới một đỉnh chưa chốt có dd ít nhất bằng nó, và phần đường còn lại có độ dài không âm. Lập luận này hỏng khi có cạnh âm: một đường vòng qua cạnh âm có thể quay lại rẻ hơn.

Gõ cạnh u v w; nhãn trên đỉnh là d hiện tại. Đỉnh xanh lá đã chốt, xanh dương còn trong hàng đợi.

Cài bằng priority_queue các cặp (d,v)(d, v) nhỏ nhất trước. Không cần thao tác “giảm khóa”: mỗi lần nới thành công thì đẩy cặp mới, và khi lấy ra một cặp có dd lớn hơn dvd_v hiện tại thì bỏ qua. Mỗi cạnh đẩy tối đa một cặp, nên hàng đợi có O(m)O(m) phần tử, tổng O(mlog⁡m)O(m \log m).

Độ dài tới 10910^9 và đường tới 10510^5 cạnh cho tổng tới 101410^{14}: dùng ll và ∞=1018\infty = 10^{18}.

C++
priority_queue<pair<ll, ll>, vector<pair<ll, ll>>, greater<pair<ll, ll>>> pq;
pq.push({0, s});
while (!pq.empty()) {
    ll du = pq.top().first, u = pq.top().second;
    pq.pop();
    if (du > d[u]) continue;
    for (pair<ll, ll> e : g[u])
        if (du + e.second < d[e.first]) {
            d[e.first] = du + e.second;
            pq.push({d[e.first], e.first});
        }
}

Hỏi nhanh

Vì sao Dijkstra có thể bỏ qua một cặp (d,v)(d, v) lấy ra khỏi hàng đợi khi d>dvd > d_v?

Ví dụKhoảng Cách Từ Đỉnh Đầu

Đề. Đồ thị có hướng n≤105n \le 10^5 đỉnh, m≤2⋅105m \le 2 \cdot 10^5 cạnh dài tới 10910^9 (có khuyên và cạnh lặp). In khoảng cách ngắn nhất từ 1 tới mọi đỉnh.

Lời giải. Dijkstra đúng như khung trên. Khuyên và cạnh lặp không cần xử lý riêng: khuyên không bao giờ nới thành công, cạnh lặp chỉ là thêm một lựa chọn.

Bước 1: hàng đợi ưu tiên nhỏ nhất. pq chứa cặp (khoảng cách, đỉnh), greater làm phần tử nhỏ nhất nằm trên đỉnh. INF = 1e18 lớn hơn mọi khoảng cách thật (105⋅10910^5 \cdot 10^9).

C++
for (ll i = 1; i <= n; i++) d[i] = INF;
priority_queue<pair<ll, ll>, vector<pair<ll, ll>>, greater<pair<ll, ll>>> pq;
d[1] = 0;
pq.push({0, 1});

Bước 2: lấy ra và nới. C++ không có thao tác “giảm khóa”, nên nới được thì đẩy thêm một cặp mới; cặp cũ vẫn nằm trong hàng, và khi lấy ra mà du > d[u] thì nó đã lỗi thời, bỏ qua. Lần đầu một đỉnh được lấy ra với du == d[u], khoảng cách đó đã cuối cùng: mọi đường khác phải đi qua một đỉnh chưa lấy ra, có nhãn không nhỏ hơn, và cạnh không âm chỉ làm dài thêm.

C++
while (!pq.empty()) {
    ll du = pq.top().first, u = pq.top().second;
    pq.pop();
    if (du > d[u]) continue;
    for (pair<ll, ll> e : g[u])
        if (du + e.second < d[e.first]) {
            d[e.first] = du + e.second;
            pq.push({d[e.first], e.first});
        }
}
Code đầy đủ
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define ll long long

const ll N = 1e5 + 5, INF = 1e18;
ll n, m, d[N];
vector<pair<ll, ll>> g[N];

signed main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(0);

    cin >> n >> m;
    for (ll i = 1; i <= m; i++) {
        ll a, b, c;
        cin >> a >> b >> c;
        g[a].push_back({b, c});
    }
    for (ll i = 1; i <= n; i++) d[i] = INF;
    priority_queue<pair<ll, ll>, vector<pair<ll, ll>>, greater<pair<ll, ll>>> pq;
    d[1] = 0;
    pq.push({0, 1});
    while (!pq.empty()) {
        ll du = pq.top().first, u = pq.top().second;
        pq.pop();
        if (du > d[u]) continue;
        for (pair<ll, ll> e : g[u])
            if (du + e.second < d[e.first]) {
                d[e.first] = du + e.second;
                pq.push({d[e.first], e.first});
            }
    }
    for (ll i = 1; i <= n; i++) cout << d[i] << ' ';
    cout << '\n';
}
5 8
1 2 7
1 3 2
3 2 1
2 4 4
3 4 8
4 5 3
3 5 20
2 5 10

Độ phức tạp: mỗi cạnh đẩy tối đa một cặp: O(mlog⁡m)O(m \log m).

Nhiều người quen xóa cặp cũ khỏi set thay vì bỏ qua. Cách đó đúng nhưng chậm hơn:

Dijkstra, 200 nghìn đỉnh, 1 triệu cạnh.priority_queue, bỏ cặp cũ108 msset, xóa cặp cũ263 ms · gấp 2,4 lần
Dijkstra trên đồ thị 200 nghìn đỉnh, 1 triệu cạnh.

set chậm hơn khoảng 2,3 lần. Cứ dùng priority_queue và bỏ qua cặp cũ.

Thông tin phụ

Các cạnh u→vu \to v thỏa du+w=dvd_u + w = d_v tạo thành đồ thị đường ngắn nhất: một DAG, vì dd tăng ngặt dọc mỗi cạnh khi w>0w > 0. Mọi đường ngắn nhất đều đi trên DAG đó, nên đếm số đường, số cạnh ít nhất hay nhiều nhất trên các đường ngắn nhất là quy hoạch động trên DAG (bài 3.3). Dijkstra lấy đỉnh theo dd tăng dần, chính là một thứ tự tô pô của DAG này, nên làm luôn trong lúc nới: nới tốt hơn thì đặt lại thông tin phụ của vv theo uu; nới bằng thì gộp thêm. Chẳng hạn với số đường ngắn nhất cnt và số cạnh ít nhất mn:

C++
ll v = e.first, nd = du + e.second;
if (nd < d[v]) {
    d[v] = nd;
    cnt[v] = cnt[u];
    mn[v] = mn[u] + 1;
    pq.push({nd, v});
} else if (nd == d[v]) {
    cnt[v] = (cnt[v] + cnt[u]) % MOD;
    mn[v] = min(mn[v], mn[u] + 1);
}

Cạnh phải dương để mọi uu có du+w=dvd_u + w = d_v đều được lấy ra trước vv; khi vv được lấy ra thì mọi đóng góp đã gộp xong.

Trạng thái, nguồn ảo

Mở rộng đỉnh. Khi đường đi có thêm một điều kiện hữu hạn (đã dùng phiếu chưa, đang cầm xe nào, đã qua bao nhiêu cạnh đặc biệt), đỉnh mới là cặp (đỉnh cũ, trạng thái). Một phiếu giảm giá dùng đúng một lần cho hai bản sao của đồ thị: tầng 0 chưa dùng, tầng 1 đã dùng, mỗi cạnh có thêm một bản đi từ tầng 0 lên tầng 1 với giá giảm. Số đỉnh nhân với số trạng thái, thuật toán không đổi.

Nguồn ảo. Câu hỏi “với mọi ii, giá nhỏ nhất của aj+dist(i,j)a_j + \mathrm{dist}(i, j)” là Dijkstra từ một đỉnh ảo nối tới mọi jj bằng cạnh dài aja_j, trên đồ thị đảo chiều nếu cạnh có hướng. Không cần thêm đỉnh thật: khởi tạo dj=ajd_j = a_j và đẩy mọi đỉnh vào hàng đợi.

Ví dụPhiếu Giảm Giá Một Chặng

Đề. Đồ thị có hướng n≤105n \le 10^5 đỉnh, m≤2⋅105m \le 2 \cdot 10^5 chuyến bay. Phải dùng một phiếu cho đúng một chuyến, chuyến đó chỉ trả ⌊c/2⌋\lfloor c / 2 \rfloor. Tìm chi phí nhỏ nhất từ 1 tới nn.

Lời giải. Trạng thái (v,t)(v, t) với tt là đã dùng phiếu chưa. Cạnh a→ba \to b giá cc cho ba cạnh: (a,0)→(b,0)(a, 0) \to (b, 0) giá cc, (a,0)→(b,1)(a, 0) \to (b, 1) giá ⌊c/2⌋\lfloor c/2 \rfloor, (a,1)→(b,1)(a, 1) \to (b, 1) giá cc. Dijkstra trên 2n2n trạng thái; đáp án là d(n,1)d(n, 1), vì đề bắt buộc dùng phiếu.

Bước 1: đánh số trạng thái. (v,t)(v, t) là ô 2 * v + t của một mảng d; đỉnh 1 chưa dùng phiếu là ô 2.

C++
for (ll i = 0; i < 2 * N; i++) d[i] = INF;
d[2] = 0;
pq.push({0, 2});

Bước 2: cạnh sinh tại chỗ. Không cần dựng đồ thị 2n2n đỉnh thật: lấy trạng thái (u,t)(u, t) ra thì sinh cạnh ngay từ danh sách kề gốc của uu. Luôn đi được cạnh giá cc sang (v,t)(v, t); nếu chưa dùng phiếu thì thêm lựa chọn giá ⌊c/2⌋\lfloor c/2 \rfloor sang (v,1)(v, 1).

C++
ll u = s / 2, t = s % 2;
for (pair<ll, ll> e : g[u]) {
    ll v = e.first, c = e.second;
    if (du + c < d[2 * v + t]) {
        d[2 * v + t] = du + c;
        pq.push({d[2 * v + t], 2 * v + t});
    }
    if (!t && du + c / 2 < d[2 * v + 1]) {
        d[2 * v + 1] = du + c / 2;
        pq.push({d[2 * v + 1], 2 * v + 1});
    }
}
Code đầy đủ
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define ll long long

const ll N = 1e5 + 5, INF = 1e18;
ll n, m, d[2 * N];
vector<pair<ll, ll>> g[N];

signed main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(0);

    cin >> n >> m;
    for (ll i = 1; i <= m; i++) {
        ll a, b, c;
        cin >> a >> b >> c;
        g[a].push_back({b, c});
    }
    for (ll i = 0; i < 2 * N; i++) d[i] = INF;
    priority_queue<pair<ll, ll>, vector<pair<ll, ll>>, greater<pair<ll, ll>>> pq;
    d[2] = 0;
    pq.push({0, 2});
    while (!pq.empty()) {
        ll du = pq.top().first, s = pq.top().second;
        pq.pop();
        if (du > d[s]) continue;
        ll u = s / 2, t = s % 2;
        for (pair<ll, ll> e : g[u]) {
            ll v = e.first, c = e.second;
            if (du + c < d[2 * v + t]) {
                d[2 * v + t] = du + c;
                pq.push({d[2 * v + t], 2 * v + t});
            }
            if (!t && du + c / 2 < d[2 * v + 1]) {
                d[2 * v + 1] = du + c / 2;
                pq.push({d[2 * v + 1], 2 * v + 1});
            }
        }
    }
    cout << d[2 * n + 1] << '\n';
}
4 5
1 2 8
2 4 7
1 3 5
3 4 10
2 3 1

Độ phức tạp: đồ thị trạng thái có 2n2n đỉnh và 3m3m cạnh: O(mlog⁡m)O(m \log m).

BFS 0-1

Khi mọi cạnh dài 0 hoặc 1, không cần hàng đợi ưu tiên. Dùng một hàng đợi hai đầu: nới thành công qua cạnh 0 thì đẩy vào đầu, qua cạnh 1 thì đẩy vào cuối. Hàng đợi luôn chứa các đỉnh có dd bằng kk ở phía trước và k+1k + 1 ở phía sau, giống BFS theo lớp, nên lấy ra từ đầu luôn là đỉnh nhỏ nhất. Một đỉnh có thể vào hàng nhiều lần, nhưng như Dijkstra, bỏ qua lần lấy ra cũ. Tổng O(n+m)O(n + m).

Cạnh có trọng số 0 hoặc 1; qua cạnh 0 đỉnh vào đầu deque, qua cạnh 1 vào cuối.

Ví dụMê Cung Hai Kiểu Di Chuyển

Đề. Lưới h,w≤1000h, w \le 1000 có tường. Đi bộ sang ô kề cạnh miễn phí; dịch chuyển tới một ô trống trong hình vuông 5×55 \times 5 quanh mình tốn 1 phép. Tìm số phép ít nhất từ ô đầu tới ô đích, hoặc −1-1.

Lời giải. Mỗi ô là một đỉnh; bốn ô kề cạnh nối bằng cạnh 0 (đi bộ), các ô trong hình vuông 5×55 \times 5 nối bằng cạnh 1 (dịch chuyển). Trọng số chỉ là 0 hoặc 1 nên dùng BFS 0-1: hàng đợi hai đầu, cạnh 0 đẩy vào đầu, cạnh 1 đẩy vào cuối. Hàng đợi luôn có dạng “các ô khoảng cách kk, rồi các ô k+1k + 1”, nên lấy ra từ đầu luôn là ô nhỏ nhất, như Dijkstra mà không cần heap.

Bước 1: khởi tạo. Lưới đánh số từ 1 nhờ thêm một ký tự đệm; d khởi tạo INF, ô xuất phát 0.

C++
for (ll i = 1; i <= h; i++) {
    cin >> s[i];
    s[i] = " " + s[i];
    for (ll j = 1; j <= w; j++) d[i][j] = INF;
}

Bước 2: đi bộ, cạnh 0. Nới được thì đẩy vào đầu, vì ô đó cùng khoảng cách với ô hiện tại.

C++
for (ll k = 0; k < 4; k++) {
    ll nx = x + dx[k], ny = y + dy[k];
    if (nx < 1 || ny < 1 || nx > h || ny > w || s[nx][ny] == '#') continue;
    if (d[x][y] < d[nx][ny]) {
        d[nx][ny] = d[x][y];
        dq.push_front({nx, ny});
    }
}

Bước 3: dịch chuyển, cạnh 1. Duyệt hình vuông 5×55 \times 5 quanh ô, nới được thì đẩy vào cuối.

C++
for (ll nx = x - 2; nx <= x + 2; nx++)
    for (ll ny = y - 2; ny <= y + 2; ny++) {
        if (nx < 1 || ny < 1 || nx > h || ny > w || s[nx][ny] == '#') continue;
        if (d[x][y] + 1 < d[nx][ny]) {
            d[nx][ny] = d[x][y] + 1;
            dq.push_back({nx, ny});
        }
    }

Một ô có thể vào hàng nhiều lần; lần lấy ra thứ hai chỉ nới lại với nhãn đã đúng, không làm sai.

Code đầy đủ
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define ll long long

const ll N = 1005, INF = 1e18;
ll h, w, d[N][N];
ll dx[] = {-1, 1, 0, 0}, dy[] = {0, 0, -1, 1};
string s[N];

signed main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(0);

    ll sr, sc, tr, tc;
    cin >> h >> w >> sr >> sc >> tr >> tc;
    for (ll i = 1; i <= h; i++) {
        cin >> s[i];
        s[i] = " " + s[i];
        for (ll j = 1; j <= w; j++) d[i][j] = INF;
    }
    deque<pair<ll, ll>> dq;
    d[sr][sc] = 0;
    dq.push_back({sr, sc});
    while (!dq.empty()) {
        ll x = dq.front().first, y = dq.front().second;
        dq.pop_front();
        for (ll k = 0; k < 4; k++) {
            ll nx = x + dx[k], ny = y + dy[k];
            if (nx < 1 || ny < 1 || nx > h || ny > w || s[nx][ny] == '#') continue;
            if (d[x][y] < d[nx][ny]) {
                d[nx][ny] = d[x][y];
                dq.push_front({nx, ny});
            }
        }
        for (ll nx = x - 2; nx <= x + 2; nx++)
            for (ll ny = y - 2; ny <= y + 2; ny++) {
                if (nx < 1 || ny < 1 || nx > h || ny > w || s[nx][ny] == '#') continue;
                if (d[x][y] + 1 < d[nx][ny]) {
                    d[nx][ny] = d[x][y] + 1;
                    dq.push_back({nx, ny});
                }
            }
    }
    cout << (d[tr][tc] == INF ? -1 : d[tr][tc]) << '\n';
}
5 5
1 1
5 5
..#..
..#..
#####
..#..
..#..

Mỗi ô xét 4+244 + 24 hướng: khoảng 3⋅1073 \cdot 10^7 bước cho 10610^6 ô.

Floyd-Warshall

Khi nn cỡ vài trăm và cần khoảng cách giữa mọi cặp, Floyd-Warshall gọn nhất: dijd_{ij} ban đầu là cạnh trực tiếp ngắn nhất, dii=0d_{ii} = 0. Với mỗi kk từ 1 tới nn, thử đi qua kk: dij=min⁡(dij,dik+dkj)d_{ij} = \min(d_{ij}, d_{ik} + d_{kj}). Sau vòng kk, dijd_{ij} là đường ngắn nhất chỉ dùng các đỉnh trung gian trong {1,…,k}\{1, \dots, k\}. Vòng kk phải ở ngoài cùng.

Thời gian O(n3)O(n^3), với n=500n = 500 là 1,25⋅1081{,}25 \cdot 10^8 phép đơn giản. Thuật toán chạy được với cạnh âm; có chu trình âm thì một diid_{ii} nào đó thành âm.

Mỗi bước là một vòng k: ô cam là ô vừa giảm nhờ đi qua đỉnh k, hàng và cột k tô xanh.

Hỏi nhanh

Trong Floyd-Warshall, vì sao vòng lặp theo đỉnh trung gian kk phải nằm ngoài cùng?

Ví dụBảng Khoảng Cách

Đề. Đồ thị vô hướng n≤500n \le 500 đỉnh, có cạnh lặp và khuyên, q≤105q \le 10^5 câu hỏi khoảng cách giữa hai đỉnh; không có đường thì in −1-1.

Lời giải. n≤500n \le 500 còn câu hỏi tới 10510^5: tính khoảng cách mọi cặp một lần bằng Floyd-Warshall, mỗi câu hỏi tra bảng.

Bước 1: khởi tạo bảng. dii=0d_{ii} = 0, còn lại INF. Có cạnh lặp nên chỉ giữ cạnh ngắn nhất giữa mỗi cặp; đồ thị vô hướng nên cập nhật cả hai chiều.

C++
for (ll i = 1; i <= n; i++)
    for (ll j = 1; j <= n; j++) d[i][j] = (i == j ? 0 : INF);
for (ll i = 1; i <= m; i++) {
    ll a, b, c;
    cin >> a >> b >> c;
    d[a][b] = min(d[a][b], c);
    d[b][a] = min(d[b][a], c);
}

Bước 2: ba vòng lặp, kk ở ngoài cùng. Sau vòng kk, dijd_{ij} là đường ngắn nhất chỉ đi qua các đỉnh trung gian trong 1..k1..k. Dòng continue bỏ cả hàng ii khi ii chưa tới được kk: vừa tránh cộng INF + INF tràn số, vừa nhanh hơn.

C++
for (ll k = 1; k <= n; k++)
    for (ll i = 1; i <= n; i++) {
        if (d[i][k] == INF) continue;
        for (ll j = 1; j <= n; j++) d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
    }
Code đầy đủ
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define ll long long

const ll N = 505, INF = 1e18;
ll n, m, q, d[N][N];

signed main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(0);

    cin >> n >> m >> q;
    for (ll i = 1; i <= n; i++)
        for (ll j = 1; j <= n; j++) d[i][j] = (i == j ? 0 : INF);
    for (ll i = 1; i <= m; i++) {
        ll a, b, c;
        cin >> a >> b >> c;
        d[a][b] = min(d[a][b], c);
        d[b][a] = min(d[b][a], c);
    }
    for (ll k = 1; k <= n; k++)
        for (ll i = 1; i <= n; i++) {
            if (d[i][k] == INF) continue;
            for (ll j = 1; j <= n; j++) d[i][j] = min(d[i][j], d[i][k] + d[k][j]);
        }
    while (q--) {
        ll a, b;
        cin >> a >> b;
        cout << (d[a][b] == INF ? -1 : d[a][b]) << '\n';
    }
}
5 5 6
1 2 8
1 2 3
2 3 4
3 4 2
1 4 20
1 4
4 1
1 5
5 5
2 4
1 2

Độ phức tạp: 5003=1,25⋅108500^3 = 1{,}25 \cdot 10^8 phép, mỗi câu hỏi O(1)O(1).

Thứ tự hai vòng trong cũng có giá, vì d[i][j] nằm liên tiếp theo jj:

Floyd-Warshall, 600 đỉnh.k, i, j (j trong cùng)193 msk, j, i (i trong cùng)322 ms · gấp 1,7 lần
Floyd-Warshall với 600 đỉnh.

Để jj ở vòng trong cùng nhanh hơn khoảng 1,7 lần.

Bellman-Ford

Bellman-Ford nới mọi cạnh, lặp n−1n - 1 vòng. Một đường ngắn nhất không lặp đỉnh có tối đa n−1n - 1 cạnh, và sau vòng thứ kk mọi đường ngắn nhất dùng tối đa kk cạnh đã đúng, nên n−1n - 1 vòng là đủ khi không có chu trình âm. Tổng O(nm)O(nm).

Nếu vòng thứ nn vẫn nới được cạnh u→vu \to v thì vv tới được từ một chu trình âm. Đáp án chỉ không xác định khi chu trình đó vừa tới được từ nguồn vừa tới được đích. Kiểm điều đó bằng hai lần BFS: từ nguồn trên đồ thị gốc và từ đích trên đồ thị ngược.

Mỗi bước là một vòng nới mọi cạnh; cạnh cam vừa nới được. Đổi một trọng số thành âm để tạo chu trình âm.

Bài lớn nhất đổi dấu mọi trọng số, hoặc giữ nguyên và nới theo chiều tăng: chu trình dương làm điểm tăng vô hạn.

Ví dụĐiểm Số Trên Hành Trình

Đề. Đồ thị có hướng n≤2500n \le 2500 đỉnh, m≤5000m \le 5000 cạnh có điểm −109..109-10^9..10^9. Tìm tổng điểm lớn nhất từ 1 tới nn, đi lại cạnh tùy ý; điểm không bị chặn thì in −1-1.

Lời giải. Bellman-Ford theo chiều lớn nhất. Điểm không bị chặn khi có một chu trình dương vừa tới được từ 1, vừa đi tiếp tới được nn. Sau n−1n - 1 vòng nới, một cạnh a→ba \to b còn tăng được dbd_b nghĩa là bb nằm sau một chu trình dương tới được từ 1; nếu thêm bb tới được nn thì đi vòng chu trình bao nhiêu lần cũng được.

Bước 1: đỉnh tới được nn. BFS trên đồ thị ngược từ nn đánh dấu ok[v].

C++
queue<ll> q;
q.push(n);
ok[n] = 1;
while (!q.empty()) {
    ll u = q.front();
    q.pop();
    for (ll v : rg[u])
        if (!ok[v]) {
            ok[v] = 1;
            q.push(v);
        }
}

Bước 2: n−1n - 1 vòng nới. d khởi tạo NEG, chỉ nới từ đỉnh đã có giá trị hữu hạn, tức đã tới được từ 1.

C++
for (ll i = 1; i <= n; i++) d[i] = NEG;
d[1] = 0;
for (ll it = 1; it < n; it++)
    for (ll i = 1; i <= m; i++)
        if (d[ea[i]] != NEG) d[eb[i]] = max(d[eb[i]], d[ea[i]] + ex[i]);

Bước 3: vòng kiểm thứ nn.

C++
for (ll i = 1; i <= m; i++)
    if (d[ea[i]] != NEG && d[ea[i]] + ex[i] > d[eb[i]] && ok[eb[i]]) {
        cout << -1 << '\n';
        return 0;
    }

NEG = -4e18 để cộng một trọng số âm vào dd thật (tới khoảng −2,5⋅1012-2{,}5 \cdot 10^{12}) vẫn xa giới hạn; không bao giờ cộng vào chính NEG.

Code đầy đủ
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define ll long long

const ll N = 2505, M = 5005, NEG = -4e18;
ll n, m, ea[M], eb[M], ex[M], d[N], ok[N];
vector<ll> rg[N];

signed main() {
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(0);

    cin >> n >> m;
    for (ll i = 1; i <= m; i++) {
        cin >> ea[i] >> eb[i] >> ex[i];
        rg[eb[i]].push_back(ea[i]);
    }
    queue<ll> q;
    q.push(n);
    ok[n] = 1;
    while (!q.empty()) {
        ll u = q.front();
        q.pop();
        for (ll v : rg[u])
            if (!ok[v]) {
                ok[v] = 1;
                q.push(v);
            }
    }
    for (ll i = 1; i <= n; i++) d[i] = NEG;
    d[1] = 0;
    for (ll it = 1; it < n; it++)
        for (ll i = 1; i <= m; i++)
            if (d[ea[i]] != NEG) d[eb[i]] = max(d[eb[i]], d[ea[i]] + ex[i]);
    for (ll i = 1; i <= m; i++)
        if (d[ea[i]] != NEG && d[ea[i]] + ex[i] > d[eb[i]] && ok[eb[i]]) {
            cout << -1 << '\n';
            return 0;
        }
    cout << d[n] << '\n';
}
4 5
1 2 4
2 4 -1
1 3 -2
3 4 8
2 3 1

Độ phức tạp: O(nm)≈1,25⋅107O(nm) \approx 1{,}25 \cdot 10^7.

Khi đi thi

  • Chọn theo trọng số và kích thước: bằng nhau thì BFS; 0 và 1 thì BFS 0-1; không âm thì Dijkstra; có âm thì Bellman-Ford; n≤500n \le 500 và cần mọi cặp thì Floyd-Warshall.
  • Đường dài tới 101410^{14} trở lên: dùng ll, ∞=1018\infty = 10^{18}, và không bao giờ cộng thêm vào ∞\infty.
  • Điều kiện lạ trên đường đi (phiếu, xe, số lần, thời điểm chờ) thường là thêm trạng thái vào đỉnh; “với mọi đỉnh, gần nhất tới một tập” là nguồn ảo.

Tóm tắt

  • Dijkstra: lấy đỉnh có nhãn nhỏ nhất, nới cạnh đi ra, bỏ qua cặp cũ; đúng khi trọng số không âm, O(mlog⁡m)O(m \log m).
  • Đồ thị đường ngắn nhất là một DAG; đếm đường và thông tin phụ cập nhật lúc nới.
  • Trạng thái mở rộng đỉnh; nguồn ảo là khởi tạo nhiều đỉnh trong hàng đợi.
  • BFS 0-1 dùng hàng đợi hai đầu; Floyd-Warshall O(n3)O(n^3) với kk ngoài cùng.
  • Bellman-Ford n−1n - 1 vòng, vòng thứ nn còn nới được là có chu trình âm; chỉ quan tâm chu trình nằm giữa nguồn và đích.

Bài tập

Đọc thêm