본문 바로가기
Computer Science/CS

[알고리즘] 최단 경로 알고리즘 (다익스트라, 플로이드 워셜)

by HelloJudy 2022. 10. 25.

🧩  최단 경로 알고리즘

  • 최단 경로 알고리즘: 가장 짧은 경로를 찾는 알고리즘
  • 문제 상황
    • 한 지점에서 다른 한 지점까지의 최단 경로
    • 한 지점에서 다른 모든 지점까지의 최단 경로
    • 모든 지점에서 다른 모든 지점까지의 최단 경로
  • [그래프] 노드(각 지점) / 간선(지점 간 연결된 도로)

 


다익스트라 최단 경로 알고리즘

  • 특정한 노드에서 출발하여 다른 모든 노드로 가는 최단 경로를 계산
  • 음의 간선이 없을 때 정상적으로 동작
  • 그리디 알고리즘
    • 매 상황에서 가장 비용이 적은 노드를 선택해 임의의 과정 반복

 

✔️ 동작 과정

  1. 출발 노드 설정
  2. 최단 거리 테이블 초기화
  3. 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드 선택
  4. 해당 노드를 거쳐 다른 노드로 가는 비용을 계산하여 최단 거리 테이블 갱신
  5. 위 과정에서 3번, 4번 반복

 

✔️ 동작 예시

  • 간단한 구현 동작
더보기

간단한 구현 동작

 

  • [초기상태] 그래프를 준비하고 출발 노드를 설정한다.

 

  • [Step 1] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 1번 노드를 처리한다.

 

  • [Step 2] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 4번 노드를 처리한다.

 

  • [Step 3] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 2번 노드를 처리한다.

이때 2번을 거쳐서 4번 3번 가는게 현재 보다 비용이 더 크게 발생하기 때문에 갱신하지 않는다.

 

  • [Step 4] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 5번 노드를 처리한다.

 

  • [Step 5] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 3번 노드를 처리한다.

 

  • [Step 6] 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드인 6번 노드를 처리한다.

 

  • 우선순위 큐 구현 동작
더보기

우선순위 큐 구현 동작

 

  • [초기상태] 그래프를 준비하고 출발 노드를 설정하여 우선순위 큐에 삽입한다.

 

  • [Step 1] 우선순위 큐에서 원소를 꺼낸다. 1번 노드는 아직 방문하지 않았으므로 이를 처리한다.

 

  • [Step 2] 우선순위 큐에서 원소를 꺼낸다. 4번 노드는 아직 방문하지 않았으므로 이를 처리한다.

 

✔️ 특징

  • 그리디 알고리즘
    • 매 상황에서 가장 비용이 적은 노드를 선택해 임의의 과정 반복
  • 한 번 처리된 노드의 최단 거리는 고정되어 바뀌지 않는다.
    • 한 단계당 하나의 노드에 대한 최단 거리를 확실히 찾는 것으로 이해
  • 수행 뒤에 테이블에 각 노드까지의 최단 거리 정보가 저장된다.

 

 

✔️ 소스 코드 구현 (Python) 

1️⃣  간단한 구현 방법

  • 단계마다 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드를 선택하기 위해 매 단계마다 1차원 테이블의 모든 원소를 확인(순차 탐색)합니다.

성능 분석

  • 총 O(V)번에 걸쳐서 최단 거리가 가장 짧은 노드를 매번 선형 탐색해야 한다.
  • 따라서 전체 시간 복잡도는 O(V²)이다.
  • 전체 노드가 5,000개 이하라면 해결할 수 있다. 그 이상이면 해결X
import sys
input = sys.stdin.readline
INF = int(1e9)  # 무한을 의미하는 값으로 10억 설정

# 노드의 개수, 간선의 개수 입력
n, m = map(int, input().split())
# 시작 노드 입력
start = int(input())
# 각 노드에 연결되어 있는 노드에 대한 정보 담기 리스트
graph = [[] for _ in range(n+1)]
# 방문 확인 리스트
visited = [False] * (n+1)
# 최단 거리 테이블 무한으로 초기화
distance = [INF] * (n+1)

# 모든 간선 정보
for _ in range(m):
    # a -> b 가는 비용 c
    a, b, c = map(int, input().split())
    graph[a].append((b,c))

# 방문하지 않은 노드 중, 가장 최단 거리가 짧은 노드 번호 반환
def get_smallest_node():
    min_value = INF
    index = 0   # 가장 최단 거리가 짧은 노드(인덱스)
    for i in range(1, n+1):
        if distance[i] < min_value and not visited[i]:
            min_value = distance[i]
            index = i
    return index

def dijkstra(start):
    # 시작 노드 초기화
    distance[start] = 0
    visited[start] = True
    for j in graph[start]:
        distance[j[0]] = j[1]
    # 시작 노드를 제외한 전체 n-1개의 노드 반복
    for i in range(n-1):
        # 현재 최단 거리가 가장 짧은 노드를 꺼내서, 방문 처리
        now = get_smallest_node()
        visited[now] = True
        # 현재 노드와 연결된 다른 노드 확인
        for j in graph[now]:
            cost = distance[now] + j[1]
            # 현재 노드를 거쳐서 다른 노드로 이동하는 거리가 더 짧은 경우
            if cost < distance[j[0]]:
                distance[j[0]] = cost

# 다익스트라 알고리즘 수행
dijkstra(start)

# 모든 노드로 가기 위한 최단 거리 출력
for i in range(1, n+1):
    # 도달할 수 없는 경우, 무한이라고 출력
    if distance[i] == INF:
        print("INFINITY")
    # 도달할 수 있는 경우, 거리 출력
    else:
        print(distance[i])

 

 

2️⃣  개선된 구현 방법

  • 단계마다 방문하지 않은 노드 중에서 최단 거리가 가장 짧은 노드를 선택하기 위해 힙(Heap) 자료구조를 이용

성능 분석

  • 힙 자료구조를 이용하면 O(ElogN)
  • 직관적으로 전체 과정은 E개의 원소를 우선순위 큐에 넣었다가 모두 빼내는 연산과 매우 유사하다.
    • 시간 복잡도 O(ElogE) 판단 가능
import heapq
import sys
input = sys.stdin.readline
INF = int(1e9)  # 무한을 의미하는 값으로 10억 설정

# 노드의 개수, 간선의 개수 입력
n, m = map(int, input().split())
# 시작 노드 입력
start = int(input())
# 각 노드에 연결되어 있는 노드에 대한 정보 담기 리스트
graph = [[] for _ in range(n+1)]
# 최단 거리 테이블 무한으로 초기화
distance = [INF] * (n+1)

# 모든 간선 정보
for _ in range(m):
    # a -> b 가는 비용 c
    a, b, c = map(int, input().split())
    graph[a].append((b,c))


def dijkstra(start):
	q = []
    # 시작 노드로 가기 위한 최단 경로는 0으로 설정하여, 큐에 삽입
    heapq.heappush(q, (0,start))
    distance[start] = 0
    while q: 
    	# 가장 최단 거리가 짧은 모드에 대한 정보 꺼내기
        dist, now = heapq.heappop(q)
        # 현재 노드가 이미 처리된 적이 있는 노드라면 무시
        if distance[now] < dist:
        	continue
        # 현재 노드와 연결된 다른 인접한 노드들을 확인
        for i in graph[now]:
            cost = dist + i[1]
            # 현재 노드를 거쳐서 다른 노드로 이동하는 거리가 더 짧은 경우
            if cost < distance[i[0]]:
                distance[i[0]] = cost
                heapq.heappush(q, (cost, i[0]))

# 다익스트라 알고리즘 수행
dijkstra(start)


# 모든 노드로 가기 위한 최단 거리 출력
for i in range(1, n+1):
    # 도달할 수 없는 경우, 무한이라고 출력
    if distance[i] == INF:
        print("INFINITY")
    # 도달할 수 있는 경우, 거리 출력
    else:
        print(distance[i])

 


 

💡우선순위 큐(Priority Queue)

  • 우선순위가 가장 높은 데이터를 가장 먼저 삭제하는 자료구조
자료구조 추출되는 데이터
스택 (Stack) 가장 나중에 삽입된 데이터
큐 (Queue) 가장 먼저 삽입된 데이터
우선순위 큐(Priority Queue) 가장 우선순위가 높은 데이터

 

💡힙 (Heap)

  • 우선순위 큐(Priority Queue)를 구현하기 위해 사용하는 자료구조 중 하나이다.
  • 최소 힙(Min Heap)과 최대 힙(Max Heap)이 있다.
우선순위 큐 구현 방식 삽입 시간 삭제 시간
리스트 O(1) O(N)
힙(Heap) O(logN) O(logN)

 

[ 최소 힙 구현 예제 ]

import heapq

# 오름차순 힙 정렬(Heap Sort)
def heapsort(iterable):
	h = []
    result = []
    # 모든 원소를 차례대로 힙에 삽입
    for value in iterable:
    	heapq.heappush(h, value)
    # 힙에 삽입된 모든 원소를 차례대로 꺼내어 담기
    for i in range(len(h)):
    	result.append(heapq.heappop(h))
    return result
    
 result = heapsort([1,3,5,7,9,2,4,6,8,0])
 print(result)

 


 

플로이드 워셜 알고리즘

  • 모든 노드에서 다른 모든 노드까지의 최단 경로를 모두 계산한다.
  • 플로이드 워셜 알고리즘은 다익스트라 알고리즘과 마찬가지로 단계별로 거쳐 가는 노드를 기준으로 알고리즘을 수행한다.
    • 다만 매 단계마다 방문하지 않은 노드 중에 최단 거리를 갖는 노드를 찾는 과정이 필요하지 않다.
  • 플로이드 워셜은 2차원 테이블에 최단 거리 정보를 저장한다.
  • 플로이드 워셜 알고리즘은 다이나믹 프로그래밍 유형에 속한다.

 

  • 각 단계마다 특정한 노드 k를 거쳐 가는 경우를 확인
    • a에서 b로 가는 최단 거리보다 a에서 k를 거쳐 b로 가는 거리가 더 짧은지 검사한다.
  • 점화식

 

✔️ 동작 예시

  • 간단한 구현 동작
더보기

간단한 구현 동작

 

  • [초기상태] 그래프를 준비하고 최단 거리 테이블을 초기화

 

  • [Step 1] 1번 노드를 거쳐 가는 경우를 고려하여 테이블을 갱신

 

  • [Step 2] 2번 노드를 거쳐 가는 경우를 고려하여 테이블을 갱신

 

  • [Step 3] 3번 노드를 거쳐 가는 경우를 고려하여 테이블을 갱신

 

  • [Step 4] 4번 노드를 거쳐 가는 경우를 고려하여 테이블을 갱신

 

 

✔️ 소스 코드 구현 (Python) 

INF = int(1e9) # 무한을 의미하는 값으로 10억을 설정

# 노드의 개수 및 간선의 개수를 입력받기
n = int(input())
m = int(input())
# 2차원 리스트(그래프 표현)를 만들고, 모든 값을 무한으로 초기화
graph = [[INF] * (n + 1) for _ in range(n + 1)]

# 자기 자신에서 자기 자신으로 가는 비용은 0으로 초기화
for a in range(1, n + 1):
    for b in range(1, n + 1):
        if a == b:
            graph[a][b] = 0

# 각 간선에 대한 정보를 입력 받아, 그 값으로 초기화
for _ in range(m):
    # A에서 B로 가는 비용은 C라고 설정
    a, b, c = map(int, input().split())
    graph[a][b] = c

# 점화식에 따라 플로이드 워셜 알고리즘을 수행
# k는 거쳐가는 노드, a 출발 노드, b 도착 노드
for k in range(1, n + 1):
    for a in range(1, n + 1):
        for b in range(1, n + 1):
            graph[a][b] = min(graph[a][b], graph[a][k] + graph[k][b])

# 수행된 결과를 출력
for a in range(1, n + 1):
    for b in range(1, n + 1):
        # 도달할 수 없는 경우, 무한(INFINITY)이라고 출력
        if graph[a][b] == 1e9:
            print("INFINITY", end=" ")
        # 도달할 수 있는 경우 거리를 출력
        else:
            print(graph[a][b], end=" ")
    print()

 


📌 Reference & Additional Resources

  • [한빛미디어] 이것이 취업을 위한 코딩 테스트다 with 파이썬 (나동빈 저)
반응형

댓글