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알고리즘/탐색

[알고리즘] 다익스트라(Dijkstra) 알고리즘

by 볼링치는 개발자 2021. 5. 14.
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다익스트라(Dijkstra) 알고리즘

다익스트라 알고리즘은 방향/무방향 그래프에서 하나의 시작점에서 모든 정점까지의 최단 거리를 구해주는 알고리즘입니다.

 

주의할 사항은 방향/무방향 그래프에서 간선의 가중치가 양수여야만 합니다.

 

음수인 경우 시작점에서 거리가 가까운 정점을 구하고 탐색을 이어나가다가 음수 간선을 마주치면 거리가 줄어들 수 있어서 알고리즘이 불완전하게 됩니다.

 

다익스트라는 다이내믹 프로그래밍(Dynamic Programming)을 적용한 탐색 알고리즘이기도 합니다.

 

예를 들어 A에서 F까지 가는 최단 거리의 경로가 A → B → C →  D → E → F 라고 합시다.

그럼 이 경로에 포함되어있는 모든 부분 경로는 최단 거리입니다.

A부터 E까지의 최단 거리 경로인 A → B → C →  D → E 가 최단 이어야 A → B → C →  D → E → F 가 최단 거리이겠죠.

 

다익스트라 알고리즘은 다음과 같습니다

 

1) 출발 노드를 설정한다

2) 출발 노드를 기준으로 갈 수 있는 각 노드까지의 비용을 저장한다

3) 방문하지 않은 노드 중에서 가장 비용이 적은 노드를 선택한다.

4) 해당 노드를 거쳐서 갈 수 있는 노드에 관해 최소 비용을 갱신한다.

5) 3~4번을 반복한다.

 

아래 그림으로 예시를 들어 다익스트라 알고리즘을 실행해보겠습니다.


초기 상태입니다.

위와 같이 방향 있는 그래프가 있고, distance 배열은 모두 무한대로 채워져 있습니다.


출발점인 1에서 1까지의 거리는 0이므로 distance[1]에 0을 넣어줍니다.

출발점인 1번 정점을 힙에 넣어줍니다.

힙에 넣을 때, { 0 , 출발 지점 }으로 넣어줍니다.

앞으로 힙에 넣을 { a , b } 쌍에서 a는 거리, b는 정점을 의미합니다.

그럼 힙에 { 0 , 1 } 이 들어가 있습니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 0 , 1 } 을 선택합니다.

distance[1]이 0이 맞는지 확인합니다.

distance[1]이 0이 아니라면 { 0 , 1 } 은 힙에서 그냥 제거해줍니다.

distance[1] == 0 이므로, 1번 정점에서 갈 수 있는 점에 대한 거리를 갱신해줍니다.

거리를 갱신할 때에는, (현재 정점까지의 거리 + 다음 정점까지의 거리)가 distance에 있는 거리 값보다 작으면 갱신해줍니다.

 

정점 1을 기준으로 1에서 2까지의 거리는 1 이므로 0 + 1 = 1

distance[2] = ∞ 이므로 1이 더 작으니 distance[1] = 1로 갱신해 줍니다.

힙에 { 1 , 2 } 를 넣어줍니다.

 

정점 1을 기준으로 1에서 3까지의 거리는 6 이므로 0 + 6 = 6

distance[3] = ∞ 이므로 6이 더 작으니 distance[3] = 6으로 갱신해 줍니다.

힙에 { 6 , 3 } 을 넣어줍니다

 

정점 1을 기준으로 1에서 5까지의 거리는 4 이므로 0 + 4 = 4

distance[5] = ∞ 이므로 4가 더 작으니 distance[5] = 4로 갱신해 줍니다.

힙에 { 4 , 5 } 를 넣어줍니다.

 

{ 0 , 1 } 로 할 수 있는 모든 갱신을 마쳤으니 힙에서 제거해줍니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 1 , 2 } 을 선택합니다.

distance[2]가 1이 맞는지 확인합니다.

distance[2] == 1 이므로, 2번 정점에서 갈 수 있는 점에 대한 거리를 갱신해줍니다.

 

정점 2을 기준으로 2에서 3까지의 거리는 2 이므로 1 + 2 = 3

distance[3] = 6 이였으므로 1이 더 작으니 distance[3] = 3으로 갱신해 줍니다.

힙에 { 3 , 3 } 을 넣어줍니다

 

정점 2을 기준으로 2에서 4까지의 거리는 8 이므로 1 + 8 = 9

distance[4] = ∞ 이므로 9가 더 작으니 distance[4] = 9로 갱신해 줍니다.

힙에 { 9 , 4 } 를 넣어줍니다.

 

{ 1 , 2 } 로 할 수 있는 모든 갱신을 마쳤으니 힙에서 제거해줍니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 3 , 3 } 을 선택합니다.

distance[3]이 3이 맞는지 확인합니다.

distance[3] == 3 이므로, 3번 정점에서 갈 수 있는 점에 대한 거리를 갱신해줍니다.

 

정점 3을 기준으로 3에서 4까지의 거리는 3 이므로 3 + 3 = 6

distance[4] = 9 이였으므로 6이 더 작으니 distance[4] = 6으로 갱신해 줍니다.

힙에 { 6 , 4 } 를 넣어줍니다

 

{ 3 , 3 } 로 할 수 있는 모든 갱신을 마쳤으니 힙에서 제거해줍니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 4 , 5 } 을 선택합니다.

distance[5]가 4가 맞는지 확인합니다.

distance[5] == 4 이므로, 5번 정점에서 갈 수 있는 점에 대한 거리를 갱신해줍니다.

 

5번 정점에서 갈 수 있는 정점은 없으므로 종료해줍니다.

 

{ 4 , 5 } 로 할 수 있는 모든 갱신을 마쳤으니 힙에서 제거해줍니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 6 , 3 } 을 선택합니다.

distance[3]이 6이 맞는지 확인합니다.

distance[3] == 3 이므로 힙에서 { 6 , 3 }을 그냥 제거해줍니다.


힙에서 거리가 가장 작은 { 9 , 4 } 을 선택합니다.

distance[4]이 9가 맞는지 확인합니다.

distance[4] == 6 이므로 힙에서 { 9 , 4 }을 그냥 제거해줍니다.


힙이 비었으므로 다익스트라 알고리즘을 종료해줍니다.

 


다익스트라의 구현

위 알고리즘으로 다익스트라를 구현할 수 있습니다.

1) 전체 그래프를 입력받고 초기화

2) 방문체크하는 배열, 비용을 저장하는 배열 총 2개 선언

3) 최소비용을 가지는 정점을 반환하는 함수 구현

 

이 방식으로 다익스트라를 구현하면 N개의 정점에 대해 최소 비용을 가지는 정점을 반환하는 함수는 N번 탐색하기 때문에 O(N^2)의 시간 복잡도를 가지게 됩니다.

 

이렇게 구현하면 정점은 많지만, 간선의 수가 적을 때 정점의 개수만큼 탐색하기 때문에 매우 비효율적입니다.

 

이를 개선한 방법이 힙을 통한 구현입니다.

 

이 힙을 사용한 다익스트라 알고리즘은 사전에 설명한 것과 같습니다.

 

C++에서는 힙을 사용하기 위한 자료구조가 priority_queue입니다.

 

다익스트라 알고리즘을 아래처럼 구현했습니다.

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using pii = pair<int, int>;
const int INF = 1e9+10;

vector<pii> adj[1002];
int dis[1002];

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0);
    cin.tie(0);
    cout.tie(0);

    //n: 정점 개수, m: 간선 개수
    int n, m;
    cin >> n >> m;

	//간선 정보 입력 받기
    for(int i=0;i<m;i++) {
        int from, to, cost;
        cin >> from >> to >> cost;
        adj[from].push_back({cost,to});
    }

    //시작점 끝나는점 입력
    int start, end;
    cin >> start >> end;

	//dis배열 무한대로 초기화, 힙 선언
    fill(dis, dis+n+1,INF);
    priority_queue<pii, vector<pii>,greater<pii>> pq;
    
    //다익스트라 알고리즘 시작
    //시작 정점 거리 0 
    dis[start] = 0;
    
    //힙에는 <거리, 정점> 으로 push
    pq.push({dis[start],start});
	
    //힙이 비어있을때까지 반복
    while(!pq.empty()) {	
        auto cur = pq.top(); pq.pop();
        int dist = cur.first;
        int idx = cur.second;
		
        if(dis[idx]!=dist) continue;
        
        //현재 정점에서 갈 수 있는 모든 정점에 대해
        for(auto next : adj[idx]) {
            int cost = next.first;
            int nidx = next.second;
            if(dis[nidx] > dist + cost){
                dis[nidx] = dist + cost;
                pq.push({dis[nidx], nidx});
            }
        }
    }
}

 

 

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