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slides/cours_26.md

+---
+title: "Graphes - Plus court chemin (2)"
+date: "2022-05-03"
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+            command: fish
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+
+# Questions
+
+* Qu'est-ce qu'un graphe? Un graphe orienté? Un graphe pondéré?
+
+. . .
+
+* Ensemble de sommets et arêtes, avec une direction, possédant une pondération.
+* Comment représenter un graphe informatiquement?
+
+. . .
+
+* Liste ou matrice d'adjacence.
+* Quels sont les deux parcours que nous avons vus?
+
+. . .
+
+* Parcours en largeur et profondeur.
+* Donner l'idée générale des deux parcours.
+
+# Plus cours chemin pour toute paire de sommets
+
+## Comment faire pour avoir toutes les paires?
+
+. . .
+
+* Appliquer Dijkstra sur tous les sommets d'origine.
+* Complexité:
+    * Graphe dense: $\mathcal{O}(|V|)\mathcal{O}(|V|^2\log|V|)=\mathcal{O}(|V|^3\log|V|)$.
+    * Graphe peu dense: $\mathcal{O}(|V|)\mathcal{O}(|V|\log|V|)=\mathcal{O}(|V|^2\log|V|)$.
+
+. . .
+
+## Solution alternative: Floyd--Warshall
+
+* Pour toutes paires de sommets $u,v\in V$, trouver le chemin de poids minimal reliant $u$ à $v$.
+* Complexité $\mathcal{O}(|V|^3)$, indiqué pour graphes denses.
+* Fonctionne avec la matrice d'adjacence.
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## Idée générale
+
+* Soit l'ensemble de sommets $V=\{1, 2, 3, 4, ..., n\}$.
+* Pour toute paire de sommets, $i,j$, on considère tous les chemins passant par les sommets intermédiaires $\in\{1, 2, ..., k\}$ avec $k\leq n$.
+* On garde pour chaque $k$ la plus petite valeur.
+
+## Principe
+
+* A chaque étape, $k$, on vérifie s'il est plus court d'aller de $i$ à $j$ en passant par le sommet $k$.
+* Si à l'étape $k-1$, le coût du parcours est $p$, on vérifie si $p$ est plus petit que $p_1+p_2$, le chemin de $i$ à $k$, et $k$ à $j$ respectivement.
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## The algorithme
+
+Soit $d_{ij}(k)$ le plus court chemin de $i$ à $j$ passant par les sommets $\in\{1,2,...,k\}$
+
+$$
+d_{ij}(k)=\left\{
+\begin{array}{ll}
+         w(i,j), & \mbox{si } k=0,\\
+         \min(d_{ij}(k-1),d_{ik}(k-1)+d_{kj}(k-1)), & \mbox{sinon}.
+\end{array}
+\right.
+$$
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+![Le graphe, $D=w$.](figs/floyd_exemple.png)
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(0)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(0)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2      & 4      & \infty & 3 \\
+2      & 0      & 8      & \infty & 1 \\
+6      & 2      & 0      & 4      & 3 \\
+1      & \infty & \infty & 0      & 5 \\
+\infty & \infty & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(0)}$?
+
+$$
+D^{(0)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2      & 4      & \infty & 3 \\
+2      & 0      & 8      & \infty & 1 \\
+6      & 2      & 0      & 4      & 3 \\
+1      & \infty & \infty & 0      & 5 \\
+\infty & \infty & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(1)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(0)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2          & 4               & \infty & 3 \\
+2      & 0          & \mathbf{6}      & \infty & 1 \\
+6      & 2          & 0               & 4      & 3 \\
+1      & \mathbf{3} & \mathbf{5}      & 0      & \mathbf{4} \\
+\infty & \infty     & \infty          & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(0)}$
+
+$$
+D^{(0)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2      & 4      & \infty & 3 \\
+2      & 0      & 8      & \infty & 1 \\
+6      & 2      & 0      & 4      & 3 \\
+1      & \infty & \infty & 0      & 5 \\
+\infty & \infty & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(1)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(1)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2          & 4               & \infty & 3 \\
+2      & 0          & \mathbf{6}      & \infty & 1 \\
+6      & 2          & 0               & 4      & 3 \\
+1      & \mathbf{3} & \mathbf{5}      & 0      & \mathbf{4} \\
+\infty & \infty     & \infty          & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+## Exemple
+
+$$
+D_{42}^{(1)}=D_{41}^{(0)}+D_{12}^{(0)}=1+2<\infty.
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(1)}$
+
+$$
+D^{(1)}=\begin{bmatrix}
+0      & 2          & 4      & \infty & 3 \\
+2      & 0          & 6      & \infty & 1 \\
+6      & 2          & 0      & 4      & 3 \\
+1      & 3          & 5      & 0      & 4 \\
+\infty & \infty     & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(2)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(2)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4      & \infty & 3 \\
+2          & 0          & 6      & \infty & 1 \\
+\mathbf{4} & 2          & 0      & 4      & 3 \\
+1          & 3          & 5      & 0      & 4 \\
+\infty     & \infty     & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(2)}$
+
+$$
+D^{(2)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4      & \infty & 3 \\
+2          & 0          & 6      & \infty & 1 \\
+4          & 2          & 0      & 4      & 3 \\
+1          & 3          & 5      & 0      & 4 \\
+\infty     & \infty     & \infty & 1      & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(3)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(3)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4      & \mathbf{8}  & 3 \\
+2          & 0          & 6      & \mathbf{10} & 1 \\
+4          & 2          & 0      & 4           & 3 \\
+1          & 3          & 5      & 0           & 4 \\
+\infty     & \infty     & \infty & 1           & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(3)}$
+
+$$
+D^{(3)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4      & 8  & 3 \\
+2          & 0          & 6      & 10 & 1 \\
+4          & 2          & 0      & 4  & 3 \\
+1          & 3          & 5      & 0  & 4 \\
+\infty     & \infty     & \infty & 1  & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(4)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(4)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4         & 8  & 3 \\
+2          & 0          & 6         & 10 & 1 \\
+4          & 2          & 0         & 4  & 3 \\
+1          & 3          & 5         & 0  & 4 \\
+\mathbf{2} & \mathbf{4} & \mathbf{6} & 1  & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exemple)
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+## On part de $D^{(4)}$
+
+$$
+D^{(4)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4         & 8  & 3 \\
+2          & 0          & 6         & 10 & 1 \\
+4          & 2          & 0         & 4  & 3 \\
+1          & 3          & 5         & 0  & 4 \\
+2          & 4          & 6         & 1  & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $D^{(5)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+D^{(5)}=\begin{bmatrix}
+0          & 2          & 4         & \mathbf{4} & 3 \\
+2          & 0          & 6         & \mathbf{2} & 1 \\
+4          & 2          & 0         & 4          & 3 \\
+1          & 3          & 5         & 0          & 4 \\
+2          & 4          & 6         & 1          & 0 \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## The pseudo-code (10min)
+
+* Quelle structure de données?
+* Quelle initialisation?
+* Quel est le code pour le calcul de la matrice $D$?
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## The pseudo-code
+
+* Quelle structure de données?
+
+```C
+int distance[n][n];
+```
+
+. . .
+
+* Quelle initialisation?
+
+```C
+matrice ini_floyd_warshall(distance, n, w)
+    pour i de 1 à n
+        pour j de 1 à n
+            distance[i][j] = w(i,j)
+    retourne distance
+```
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## The pseudo-code
+
+* Quel est le code pour le calcul de la matrice $D$?
+
+```C
+matrice floyd_warshall(distance, n, w)
+    pour k de 1 à n
+        pour i de 1 à n
+            pour j de 1 à n
+                distance[i][j] = min(distance[i][j], 
+                    distance[i][k] + distance[k][j])
+    retourne distance
+```
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## La matrice de précédence
+
+* On a pas encore vu comment reconstruire le plusc court chemin!
+* On définit, $P_{ij}^{(k)}$, qui est le prédécesseur du sommet $j$ depuis $i$ avec les sommets intermédiaires $\in\{1, 2, ..., k\}$.
+$$
+P^{(0)}_{ij}=\left\{
+\begin{array}{ll}
+         \mbox{vide}, & \mbox{si } i=j\mbox{, ou }w(i,j)=\infty\\
+         i, & \mbox{sinon}.
+\end{array}
+\right.
+$$
+
+* Mise à jour
+$$
+P^{(k)}_{ij}=\left\{
+\begin{array}{ll}
+         P^{(k-1)}_{\mathbf{i}j}, & \mbox{si } d_{ij}^{(k)}\leq d_{ik}^{(k-1)}+d_{kj}^{(k-1)}\\
+         P^{(k-1)}_{\mathbf{k}j}, & \mbox{sinon}.
+\end{array}
+\right.
+$$
+
+. . .
+
+* Moralité: si le chemin est plus court en passant par $k$, alors il faut qu'il soit le prédécesseur!
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall
+
+## La matrice de précédence (pseudo-code, 3min)
+
+. . .
+
+```C
+matrice, matrice floyd_warshall(distance, n, w)
+    pour k de 1 à n
+        pour i de 1 à n
+            pour j de 1 à n
+                n_distance = distance[i][k] + distance[k][j]
+                if n_distance < distance[i][j]
+                    distance[i][j] = n_distance
+                    précédence[i][j] = précédence[k][j]
+    retourne distance, précédence
+```
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exercice)
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+![Le graphe, $D=w$.](figs/floyd_exemple.png)
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $P^{(0)}$ (3min)?
+
+. . .
+
+$$
+P^{(0)}=\begin{bmatrix}
+-          & 1          & 1         & -          & 1 \\
+2          & -          & 2         & -          & 2 \\
+3          & 3          & -         & 3          & 3 \\
+4          & -          & -         & -          & 4 \\
+-          & -          & -         & 5          & - \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Algorithme de Floyd--Warshall (exercice)
+
+
+::: columns
+
+:::: column
+
+![Le graphe, $D=w$.](figs/floyd_exemple.png)
+
+
+::::
+
+:::: column
+
+## Que vaut $P^{(5)}$ (10min)?
+
+. . .
+
+$$
+P^{(5)}=\begin{bmatrix}
+-          & 1          & 1         & 5          & 1 \\
+2          & -          & 1         & 5          & 2 \\
+2          & 3          & -         & 3          & 3 \\
+4          & 1          & 1         & -          & 1 \\
+4          & 1          & 1         & 5          & - \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+::::
+
+:::
+
+# Exercice: retrouver le chemin entre 1 et 4 (5min)
+
+$$
+P=\begin{bmatrix}
+-          & 1          & 1         & 5          & 1 \\
+2          & -          & 1         & 5          & 2 \\
+2          & 3          & -         & 3          & 3 \\
+4          & 1          & 1         & -          & 4 \\
+4          & 1          & 1         & 5          & - \\
+\end{bmatrix}
+$$
+
+. . .
+
+## Solution
+
+* Le sommet $5=P_{14}$, on a donc, $5\rightarrow 4$, on veut connaître le prédécesseur de 5.
+* Le sommet $1=P_{15}$, on a donc, $1\rightarrow 5\rightarrow 4$. The end.
+
+# Exercice complet
+
+## Appliquer l'algorithme de Floyd--Warshall au graphe suivant
+
+![The exorcist.](figs/floyd_exercice.png)