Chemin à coût minimum avec mouvements à gauche, à droite, en bas et en haut autorisés

Chemin à coût minimum avec mouvements à gauche, à droite, en bas et en haut autorisés
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Étant donné une grille 2D de taille n*n où chaque cellule représente le coût pour parcourir cette cellule, la tâche consiste à trouver le coût minimum passer du en haut à gauche cellule au en bas à droite cellule. À partir d'une cellule donnée, nous pouvons emménager 4 directions : gauche droite haut bas.

Note: On suppose qu’il n’existe pas de cycles de coûts négatifs dans la matrice des entrées.

Exemple:

Saisir: grille = {{9 4 9 9}
{6 7 6 4}
{8 3 3 7}
{7 4 9 10}}
Sortie : 43
Explication: Le chemin de coût minimum est 9 + 4 + 7 + 3 + 3 + 7 + 10.

Approche:

L'idée est d'utiliser L'algorithme de Dijkstra pour trouver le chemin au coût minimum à travers la grille. Cette approche traite la grille comme un graphique dans lequel chaque cellule est un nœud et l'algorithme explore dynamiquement le chemin le plus rentable vers la cellule en bas à droite en développant toujours en premier les chemins les moins coûteux.

Approche étape par étape :

  1. Utilisez un tas min pour toujours traiter en premier le chemin le moins coûteux et y insérer la cellule en haut à gauche.
  2. Initialisez une matrice de coût avec des valeurs maximales définissant le coût de la cellule de départ sur sa valeur de grille.
  3. Pour chaque cellule, vérifiez les 4 cellules voisines
    1. Si un chemin à moindre coût est trouvé, mettez à jour le coût de la cellule et placez-la dans le tas.
  4. Renvoie le coût minimum pour atteindre la cellule en bas à droite.

Vous trouverez ci-dessous la mise en œuvre de l’approche ci-dessus :

C++
   // C++ program to find minimum Cost Path with    // Left Right Bottom and Up moves allowed   #include          using     namespace     std  ;   // Function to check if cell is valid.   bool     isValidCell  (  int     i       int     j       int     n  )     {      return     i  >=  0     &&     i   <  n     &&     j  >=  0     &&     j   <  n  ;   }   int     minimumCostPath  (  vector   <  vector   <  int  >>     &  grid  )     {      int     n     =     grid  .  size  ();          // Min heap to implement dijkstra      priority_queue   <  vector   <  int  >           vector   <  vector   <  int  >>       greater   <  vector   <  int  >>>     pq  ;          // 2d grid to store minimum cost      // to reach every cell.      vector   <  vector   <  int  >>     cost  (  n       vector   <  int  >  (  n       INT_MAX  ));      cost  [  0  ][  0  ]     =     grid  [  0  ][  0  ];          // Direction vector to move in 4 directions      vector   <  vector   <  int  >>     dir     =     {{  -1    0  }     {  1    0  }     {  0    -1  }     {  0    1  }};          pq  .  push  ({  grid  [  0  ][  0  ]     0       0  });          while     (  !  pq  .  empty  ())     {      vector   <  int  >     top     =     pq  .  top  ();      pq  .  pop  ();          int     c     =     top  [  0  ]     i     =     top  [  1  ]     j     =     top  [  2  ];          // Check for all 4 neighbouring cells.      for     (  auto     d  :     dir  )     {      int     x     =     i     +     d  [  0  ];      int     y     =     j     +     d  [  1  ];          // If cell is valid and cost to reach this cell       // from current cell is less      if     (  isValidCell  (  x       y       n  )     &&         cost  [  i  ][  j  ]  +  grid  [  x  ][  y  ]   <  cost  [  x  ][  y  ])     {          // Update cost to reach this cell.      cost  [  x  ][  y  ]     =     cost  [  i  ][  j  ]  +  grid  [  x  ][  y  ];          // Push the cell into heap.      pq  .  push  ({  cost  [  x  ][  y  ]     x       y  });      }      }      }          // Return minimum cost to       // reach bottom right cell.      return     cost  [  n  -1  ][  n  -1  ];   }   int     main  ()     {      vector   <  vector   <  int  >>     grid     =         {{  9    4    9    9  }{  6    7    6    4  }{  8    3    3    7  }{  7    4    9    10  }};          cout      < <     minimumCostPath  (  grid  )      < <     endl  ;          return     0  ;   }   
Java
   // Java program to find minimum Cost Path with    // Left Right Bottom and Up moves allowed   import     java.util.PriorityQueue  ;   import     java.util.Arrays  ;   class   GfG     {      // Function to check if cell is valid.      static     boolean     isValidCell  (  int     i       int     j       int     n  )     {      return     i     >=     0     &&     i      <     n     &&     j     >=     0     &&     j      <     n  ;      }      static     int     minimumCostPath  (  int  [][]     grid  )     {      int     n     =     grid  .  length  ;          // Min heap to implement Dijkstra      PriorityQueue   <  int  []>     pq     =         new     PriorityQueue   <>  ((  a       b  )     ->     Integer  .  compare  (  a  [  0  ]       b  [  0  ]  ));          // 2D grid to store minimum cost      // to reach every cell.      int  [][]     cost     =     new     int  [  n  ][  n  ]  ;      for     (  int  []     row     :     cost  )     {      Arrays  .  fill  (  row       Integer  .  MAX_VALUE  );      }      cost  [  0  ][  0  ]     =     grid  [  0  ][  0  ]  ;          // Direction vector to move in 4 directions      int  [][]     dir     =     {{  -  1       0  }     {  1       0  }     {  0       -  1  }     {  0       1  }};          pq  .  offer  (  new     int  []  {  grid  [  0  ][  0  ]       0       0  });          while     (  !  pq  .  isEmpty  ())     {      int  []     top     =     pq  .  poll  ();          int     c     =     top  [  0  ]       i     =     top  [  1  ]       j     =     top  [  2  ]  ;          // Check for all 4 neighbouring cells.      for     (  int  []     d     :     dir  )     {      int     x     =     i     +     d  [  0  ]  ;      int     y     =     j     +     d  [  1  ]  ;          // If cell is valid and cost to reach this cell       // from current cell is less      if     (  isValidCell  (  x       y       n  )     &&     cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ]      <     cost  [  x  ][  y  ]  )     {          // Update cost to reach this cell.      cost  [  x  ][  y  ]     =     cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ]  ;          // Push the cell into heap.      pq  .  offer  (  new     int  []  {  cost  [  x  ][  y  ]       x       y  });      }      }      }          // Return minimum cost to       // reach bottom right cell.      return     cost  [  n     -     1  ][  n     -     1  ]  ;      }      public     static     void     main  (  String  []     args  )     {      int  [][]     grid     =     {      {  9       4       9       9  }      {  6       7       6       4  }      {  8       3       3       7  }      {  7       4       9       10  }      };          System  .  out  .  println  (  minimumCostPath  (  grid  ));      }   }   
Python
   # Python program to find minimum Cost Path with    # Left Right Bottom and Up moves allowed   import   heapq   # Function to check if cell is valid.   def   isValidCell  (  i     j     n  ):   return   i   >=   0   and   i    <   n   and   j   >=   0   and   j    <   n   def   minimumCostPath  (  grid  ):   n   =   len  (  grid  )   # Min heap to implement Dijkstra   pq   =   []   # 2D grid to store minimum cost   # to reach every cell.   cost   =   [[  float  (  'inf'  )]   *   n   for   _   in   range  (  n  )]   cost  [  0  ][  0  ]   =   grid  [  0  ][  0  ]   # Direction vector to move in 4 directions   dir   =   [[  -  1     0  ]   [  1     0  ]   [  0     -  1  ]   [  0     1  ]]   heapq  .  heappush  (  pq     [  grid  [  0  ][  0  ]   0     0  ])   while   pq  :   c     i     j   =   heapq  .  heappop  (  pq  )   # Check for all 4 neighbouring cells.   for   d   in   dir  :   x     y   =   i   +   d  [  0  ]   j   +   d  [  1  ]   # If cell is valid and cost to reach this cell    # from current cell is less   if   isValidCell  (  x     y     n  )   and   cost  [  i  ][  j  ]   +   grid  [  x  ][  y  ]    <   cost  [  x  ][  y  ]:   # Update cost to reach this cell.   cost  [  x  ][  y  ]   =   cost  [  i  ][  j  ]   +   grid  [  x  ][  y  ]   # Push the cell into heap.   heapq  .  heappush  (  pq     [  cost  [  x  ][  y  ]   x     y  ])   # Return minimum cost to    # reach bottom right cell.   return   cost  [  n   -   1  ][  n   -   1  ]   if   __name__   ==   '__main__'  :   grid   =   [   [  9     4     9     9  ]   [  6     7     6     4  ]   [  8     3     3     7  ]   [  7     4     9     10  ]   ]   print  (  minimumCostPath  (  grid  ))   
C#
   // C# program to find minimum Cost Path with    // Left Right Bottom and Up moves allowed   using     System  ;   using     System.Collections.Generic  ;   class     GfG     {      // Function to check if cell is valid.      static     bool     isValidCell  (  int     i       int     j       int     n  )     {      return     i     >=     0     &&     i      <     n     &&     j     >=     0     &&     j      <     n  ;      }      static     int     minimumCostPath  (  int  [][]     grid  )     {      int     n     =     grid  .  Length  ;          // Min heap to implement Dijkstra      var     pq     =     new     SortedSet   <  (  int     cost       int     x       int     y  )  >  ();          // 2D grid to store minimum cost      // to reach every cell.      int  [][]     cost     =     new     int  [  n  ][];      for     (  int     i     =     0  ;     i      <     n  ;     i  ++  )     {      cost  [  i  ]     =     new     int  [  n  ];      Array  .  Fill  (  cost  [  i  ]     int  .  MaxValue  );      }      cost  [  0  ][  0  ]     =     grid  [  0  ][  0  ];          // Direction vector to move in 4 directions      int  [][]     dir     =     {     new     int  []     {  -  1       0  }     new     int  []     {  1       0  }         new     int  []     {  0       -  1  }     new     int  []     {  0       1  }     };          pq  .  Add  ((  grid  [  0  ][  0  ]     0       0  ));          while     (  pq  .  Count     >     0  )     {      var     top     =     pq  .  Min  ;      pq  .  Remove  (  top  );          int     i     =     top  .  x       j     =     top  .  y  ;          // Check for all 4 neighbouring cells.      foreach     (  var     d     in     dir  )     {      int     x     =     i     +     d  [  0  ];      int     y     =     j     +     d  [  1  ];          // If cell is valid and cost to reach this cell       // from current cell is less      if     (  isValidCell  (  x       y       n  )     &&         cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ]      <     cost  [  x  ][  y  ])     {          // Update cost to reach this cell.      cost  [  x  ][  y  ]     =     cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ];          // Push the cell into heap.      pq  .  Add  ((  cost  [  x  ][  y  ]     x       y  ));      }      }      }          // Return minimum cost to       // reach bottom right cell.      return     cost  [  n     -     1  ][  n     -     1  ];      }      static     void     Main  (  string  []     args  )     {      int  [][]     grid     =     new     int  [][]     {      new     int  []     {  9       4       9       9  }      new     int  []     {  6       7       6       4  }      new     int  []     {  8       3       3       7  }      new     int  []     {  7       4       9       10  }      };          Console  .  WriteLine  (  minimumCostPath  (  grid  ));      }   }   
JavaScript
   // JavaScript program to find minimum Cost Path with   // Left Right Bottom and Up moves allowed   function     comparator  (  a       b  )     {      if     (  a  [  0  ]     >     b  [  0  ])     return     -  1  ;      if     (  a  [  0  ]      <     b  [  0  ])     return     1  ;      return     0  ;   }   class     PriorityQueue     {      constructor  (  compare  )     {      this  .  heap     =     [];      this  .  compare     =     compare  ;      }      enqueue  (  value  )     {      this  .  heap  .  push  (  value  );      this  .  bubbleUp  ();      }      bubbleUp  ()     {      let     index     =     this  .  heap  .  length     -     1  ;      while     (  index     >     0  )     {      let     element     =     this  .  heap  [  index  ]      parentIndex     =     Math  .  floor  ((  index     -     1  )     /     2  )      parent     =     this  .  heap  [  parentIndex  ];      if     (  this  .  compare  (  element       parent  )      <     0  )     break  ;      this  .  heap  [  index  ]     =     parent  ;      this  .  heap  [  parentIndex  ]     =     element  ;      index     =     parentIndex  ;      }      }      dequeue  ()     {      let     max     =     this  .  heap  [  0  ];      let     end     =     this  .  heap  .  pop  ();      if     (  this  .  heap  .  length     >     0  )     {      this  .  heap  [  0  ]     =     end  ;      this  .  sinkDown  (  0  );      }      return     max  ;      }      sinkDown  (  index  )     {      let     left     =     2     *     index     +     1        right     =     2     *     index     +     2        largest     =     index  ;      if     (      left      <     this  .  heap  .  length     &&      this  .  compare  (  this  .  heap  [  left  ]     this  .  heap  [  largest  ])     >     0      )     {      largest     =     left  ;      }      if     (      right      <     this  .  heap  .  length     &&      this  .  compare  (  this  .  heap  [  right  ]     this  .  heap  [  largest  ])     >     0      )     {      largest     =     right  ;      }      if     (  largest     !==     index  )     {      [  this  .  heap  [  largest  ]     this  .  heap  [  index  ]]     =     [      this  .  heap  [  index  ]      this  .  heap  [  largest  ]      ];      this  .  sinkDown  (  largest  );      }      }      isEmpty  ()     {      return     this  .  heap  .  length     ===     0  ;      }   }   // Function to check if cell is valid.   function     isValidCell  (  i       j       n  )     {      return     i     >=     0     &&     i      <     n     &&     j     >=     0     &&     j      <     n  ;   }   function     minimumCostPath  (  grid  )     {      let     n     =     grid  .  length  ;      // Min heap to implement Dijkstra      const     pq     =     new     PriorityQueue  (  comparator  )      // 2D grid to store minimum cost      // to reach every cell.      let     cost     =     Array  .  from  ({     length  :     n     }     ()     =>     Array  (  n  ).  fill  (  Infinity  ));      cost  [  0  ][  0  ]     =     grid  [  0  ][  0  ];      // Direction vector to move in 4 directions      let     dir     =     [[  -  1       0  ]     [  1       0  ]     [  0       -  1  ]     [  0       1  ]];      pq  .  enqueue  ([  grid  [  0  ][  0  ]     0       0  ]);      while     (  !  pq  .  isEmpty  ())     {      let     [  c       i       j  ]     =     pq  .  dequeue  ();      // Check for all 4 neighbouring cells.      for     (  let     d     of     dir  )     {      let     x     =     i     +     d  [  0  ];      let     y     =     j     +     d  [  1  ];      // If cell is valid and cost to reach this cell      // from current cell is less      if     (  isValidCell  (  x       y       n  )     &&     cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ]      <     cost  [  x  ][  y  ])     {      // Update cost to reach this cell.      cost  [  x  ][  y  ]     =     cost  [  i  ][  j  ]     +     grid  [  x  ][  y  ];      // Push the cell into heap.      pq  .  enqueue  ([  cost  [  x  ][  y  ]     x       y  ]);      }      }      }      // Return minimum cost to      // reach bottom right cell.      return     cost  [  n     -     1  ][  n     -     1  ];   }   let     grid     =     [      [  9       4       9       9  ]      [  6       7       6       4  ]      [  8       3       3       7  ]      [  7       4       9       10  ]      ];   console  .  log  (  minimumCostPath  (  grid  ));   

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Complexité temporelle : O(n^2 journal(n^2))
Espace auxiliaire : O(n^2 journal(n^2))

Pourquoi la programmation dynamique ne peut-elle pas être utilisée ?

La programmation dynamique échoue ici car permettre le mouvement dans les quatre directions crée des cycles dans lesquels les cellules peuvent être revisitées, brisant l'hypothèse de sous-structure optimale. Cela signifie que le coût pour atteindre une cellule à partir d'une cellule donnée n'est pas fixe mais dépend de l'ensemble du chemin.

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Chemin de coût minimum

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