20130224 tsp csclub_spb

Post on 22-May-2015

1.029 views 1 download

Transcript of 20130224 tsp csclub_spb

Алгоритмы для задачи коммивояжёра

Александр Куликов

Петербургское отделение Математического института им. В. А. СтекловаРоссийская академия наук

Computer Science клуб24 февраля 2012

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 1 / 55

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 2 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 3 / 55

Формулировка задачи

Задача о гамильтоновом цикле: проверить, есть ли в графецикл, проходящий по каждой вершине ровно один раз.

Задача коммивояжёра: найти в данном полном взвешенномграфе гамильтонов цикл минимального веса.Периодически мы будем искать не цикл, а путь.Применения: проектирование схем, планирование, сборкагенома.Сложность полного перебора: O(n!).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 4 / 55

Формулировка задачи

Задача о гамильтоновом цикле: проверить, есть ли в графецикл, проходящий по каждой вершине ровно один раз.Задача коммивояжёра: найти в данном полном взвешенномграфе гамильтонов цикл минимального веса.

Периодически мы будем искать не цикл, а путь.Применения: проектирование схем, планирование, сборкагенома.Сложность полного перебора: O(n!).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 4 / 55

Формулировка задачи

Задача о гамильтоновом цикле: проверить, есть ли в графецикл, проходящий по каждой вершине ровно один раз.Задача коммивояжёра: найти в данном полном взвешенномграфе гамильтонов цикл минимального веса.Периодически мы будем искать не цикл, а путь.

Применения: проектирование схем, планирование, сборкагенома.Сложность полного перебора: O(n!).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 4 / 55

Формулировка задачи

Задача о гамильтоновом цикле: проверить, есть ли в графецикл, проходящий по каждой вершине ровно один раз.Задача коммивояжёра: найти в данном полном взвешенномграфе гамильтонов цикл минимального веса.Периодически мы будем искать не цикл, а путь.Применения: проектирование схем, планирование, сборкагенома.

Сложность полного перебора: O(n!).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 4 / 55

Формулировка задачи

Задача о гамильтоновом цикле: проверить, есть ли в графецикл, проходящий по каждой вершине ровно один раз.Задача коммивояжёра: найти в данном полном взвешенномграфе гамильтонов цикл минимального веса.Периодически мы будем искать не цикл, а путь.Применения: проектирование схем, планирование, сборкагенома.Сложность полного перебора: O(n!).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 4 / 55

Цикл по 15 городам Германии

Оптимальный маршрут коммивояжёра че-рез 15 крупнейших городов Германии. Ука-занный маршрут является самым короткимиз всех возможных 43 589 145 600.

http://en.wikipedia.org/wiki/Travelling_salesman_problem

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 5 / 55

Цикл по 13 509 городам США

David Applegate, Robert Bixby, Vasek Chvatal and William Cook.The Traveling Salesman Problem: A Computational Study.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 6 / 55

Оптимальный путь лазера85 900 «городов»

David Applegate, Robert Bixby, Vasek Chvatal and William Cook.The Traveling Salesman Problem: A Computational Study.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 7 / 55

Ещё интересное

http://www.tsp.gatech.edu/

две книгимировые рекордыдатасетыпрограммыигрытриллер

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 8 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 9 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 10 / 55

Метод ветвей и границ

1 Начать с некоторой задачи P0

2 S = {P0} ← множество активных подзадач3 лучшийрезультат = ∞4 while S не пусто5 do выбрать подзадачу (частичное решение) P ∈ S

и удалить её из S6 разбить P на меньшие подзадачи P1,P2, · · · ,Pk

7 for каждой Pi

8 do if Pi является полным решением9 then обновить лучшийрезультат

10 elseif нижняяграница(Pi) < лучшийрезультат11 then добавить Pi в S12 return лучшийрезультат

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 11 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)

начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма из

самого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,самого лёгкого ребра из b в V ∖ S иминимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма из

самого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,самого лёгкого ребра из b в V ∖ S иминимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма из

самого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,самого лёгкого ребра из b в V ∖ S иминимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма изсамого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,

самого лёгкого ребра из b в V ∖ S иминимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма изсамого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,самого лёгкого ребра из b в V ∖ S и

минимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Подзадачи и нижняя граница

подзадача: [a, S , b] — достроение простого пути из a в b,проходящего по всем вершинам из S ∋ a, b (то естькратчайший путь из b в a, проходящий по V ∖ S)начальная задача: [a, {a}, a]

нижняя граница — сумма изсамого лёгкого ребра из a в V ∖ S ,самого лёгкого ребра из b в V ∖ S иминимального покрывающего дерева графа на вершинахV ∖ S .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 12 / 55

Кстати, о минимальных покрывающих деревьях

Задача о минимальном покрывающем дереве — оставить вграфе (n − 1) ребро, так чтобы граф остался связным ичтобы суммарный вес был минимальным. Решается почтиза линейное время.

Задача о минимальном пути коммивояжёра — то же самое,но запрещаем вершины степени больше двух. До сих пор неумеем решать быстрее 2n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 13 / 55

Кстати, о минимальных покрывающих деревьях

Задача о минимальном покрывающем дереве — оставить вграфе (n − 1) ребро, так чтобы граф остался связным ичтобы суммарный вес был минимальным. Решается почтиза линейное время.Задача о минимальном пути коммивояжёра — то же самое,но запрещаем вершины степени больше двух. До сих пор неумеем решать быстрее 2n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 13 / 55

Пример графа

A B

C

D

EF

G

H

2

1

1

2

1

2

1

1

1 1

1

5

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 14 / 55

Пример графа

A B

C

D

EF

G

H

2

1

1

2

1

2

1

1

1 1

1

5

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 14 / 55

Дерево поиска

H H

G G

F D H

E G G G C

D H D F B D

C E E G C G

B F H

A

11 8

11 8

11 8

11

∞ 14 14

8

10 14

15

10 8

12

10 10 8

13 14 8

10 8 8

Стоимость: 11 Стоимость: 8

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 15 / 55

Дерево поиска

H H

G G

F D H

E G G G C

D H D F B D

C E E G C G

B F H

A

11 8

11 8

11 8

11

∞ 14 14

8

10 14

15

10 8

12

10 10 8

13 14 8

10 8 8

Стоимость: 11 Стоимость: 8

A B

C

D

EF

G

H

21

1

21

2

1

1

1 11

5

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 15 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 16 / 55

Локальный поиск

1 s ← какое-нибудь начальное решение2 while в окрестности s есть решение s ′ большей стоимости3 do заменить s на s ′

4 return s

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 17 / 55

2-окружение

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 18 / 55

Узкое место

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 19 / 55

3-окружение

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 20 / 55

Пример локального поиска (с 3-окружением)

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 21 / 55

Пример локального поиска (с 3-окружением)

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 21 / 55

Пример локального поиска (с 3-окружением)

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 21 / 55

Пример локального поиска (с 3-окружением)

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 21 / 55

Пример локального поиска (с 3-окружением)

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 21 / 55

Локальный поиск абстрактно

стоимость

локальный оптимум

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 22 / 55

Метод имитации отжига

1 s ← какое-нибудь начальное решение2 repeat3 выбрать случайное решение s ′ из окружения s4 ∆← cost(s ′)− cost(s)5 if ∆ < 06 then заменить s на s ′

7 else заменить s на s ′ с вероятностью e−Δ/T

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 23 / 55

Метод имитации отжига абстрактно

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 24 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 25 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 26 / 55

Задача коммивояжёра в метрическомпространстве

Задача коммивояжёра в метрическом пространстве (Metric TSP):частный случай для графов, веса рёбер которых удовлетворяютнеравенству треугольника (w(i , j) ≤ w(i , k) + w(k , j)).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 27 / 55

2-приближённый алгоритм

1 построить минимальное покрывающее дерево T2 продублировать каждое ребро дерева T и

в полученном графе найти эйлеров цикл3 выкинуть из этого цикла все повторения вершин и

вернуть полученный цикл

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 28 / 55

Пример

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Пример

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Пример

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Пример

1

23

45

6

7

8

910 11

12

1314

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Пример

1

23

45

6

7

8

910 11

12

1314

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Пример

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 29 / 55

Доказательство

пусть WT — вес минимального остовного дерева, а Wopt —вес оптимального гамильтонова цикла

WT ≤ Wopt, поскольку при выкидывании ребра изгамильтонва цикла получается остовное деревокаждое ребро построенного гамильтонова цикла заменяеткакой-то путь эйлерова цикла, длина которого понеравенству треугольника не менее длины этого ребразначит, длина найденного пути не превосходит 2WT ,а следовательно, и 2Wopt

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 30 / 55

Доказательство

пусть WT — вес минимального остовного дерева, а Wopt —вес оптимального гамильтонова циклаWT ≤ Wopt, поскольку при выкидывании ребра изгамильтонва цикла получается остовное дерево

каждое ребро построенного гамильтонова цикла заменяеткакой-то путь эйлерова цикла, длина которого понеравенству треугольника не менее длины этого ребразначит, длина найденного пути не превосходит 2WT ,а следовательно, и 2Wopt

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 30 / 55

Доказательство

пусть WT — вес минимального остовного дерева, а Wopt —вес оптимального гамильтонова циклаWT ≤ Wopt, поскольку при выкидывании ребра изгамильтонва цикла получается остовное деревокаждое ребро построенного гамильтонова цикла заменяеткакой-то путь эйлерова цикла, длина которого понеравенству треугольника не менее длины этого ребра

значит, длина найденного пути не превосходит 2WT ,а следовательно, и 2Wopt

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 30 / 55

Доказательство

пусть WT — вес минимального остовного дерева, а Wopt —вес оптимального гамильтонова циклаWT ≤ Wopt, поскольку при выкидывании ребра изгамильтонва цикла получается остовное деревокаждое ребро построенного гамильтонова цикла заменяеткакой-то путь эйлерова цикла, длина которого понеравенству треугольника не менее длины этого ребразначит, длина найденного пути не превосходит 2WT ,а следовательно, и 2Wopt

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 30 / 55

1.5-приближённый алгоритм

1 построить минимальное покрывающее дерево T2 найти минимальное полное паросочетание

всех вершин дерева T нечетной степени3 добавить найденные рёбра в дерево T

и найти в полученном графе эйлеров цикл4 выкинуть из этого цикла все повторения вершин и

вернуть полученный цикл

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 31 / 55

Доказательство

как и в предыдущем доказательстве, вес построенного циклане превосходит WT + WP , где WP — вес минимальногопаросочетания вершин нечетной степени дерева T

нужно показать, что WP ≤ Wopt/2

обозначим через A множество всех вершин нечётной степенидерева T

рассмотрим такой гамильтонов цикл на вершинах множестваA: вершины множества A в нём будут встречаться в такойпоследовательности, в какой они идут в оптимальномгамильтоновом цикле графа G

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 32 / 55

Доказательство

как и в предыдущем доказательстве, вес построенного циклане превосходит WT + WP , где WP — вес минимальногопаросочетания вершин нечетной степени дерева T

нужно показать, что WP ≤ Wopt/2

обозначим через A множество всех вершин нечётной степенидерева T

рассмотрим такой гамильтонов цикл на вершинах множестваA: вершины множества A в нём будут встречаться в такойпоследовательности, в какой они идут в оптимальномгамильтоновом цикле графа G

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 32 / 55

Доказательство

как и в предыдущем доказательстве, вес построенного циклане превосходит WT + WP , где WP — вес минимальногопаросочетания вершин нечетной степени дерева T

нужно показать, что WP ≤ Wopt/2

обозначим через A множество всех вершин нечётной степенидерева T

рассмотрим такой гамильтонов цикл на вершинах множестваA: вершины множества A в нём будут встречаться в такойпоследовательности, в какой они идут в оптимальномгамильтоновом цикле графа G

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 32 / 55

Доказательство

как и в предыдущем доказательстве, вес построенного циклане превосходит WT + WP , где WP — вес минимальногопаросочетания вершин нечетной степени дерева T

нужно показать, что WP ≤ Wopt/2

обозначим через A множество всех вершин нечётной степенидерева T

рассмотрим такой гамильтонов цикл на вершинах множестваA: вершины множества A в нём будут встречаться в такойпоследовательности, в какой они идут в оптимальномгамильтоновом цикле графа G

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 32 / 55

Доказательство (продолжение)

важно отметить, что нам не нужно строить такой цикл; намважен лишь факт его существования

разбив вершины только что построенного цикла на чётные инечётные, мы получим два паросочетаниявес хотя бы одного из них будет не более Wopt/2

значит, и вес минимального паросочетания не превосходитWopt/2

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 33 / 55

Доказательство (продолжение)

важно отметить, что нам не нужно строить такой цикл; намважен лишь факт его существованияразбив вершины только что построенного цикла на чётные инечётные, мы получим два паросочетания

вес хотя бы одного из них будет не более Wopt/2

значит, и вес минимального паросочетания не превосходитWopt/2

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 33 / 55

Доказательство (продолжение)

важно отметить, что нам не нужно строить такой цикл; намважен лишь факт его существованияразбив вершины только что построенного цикла на чётные инечётные, мы получим два паросочетаниявес хотя бы одного из них будет не более Wopt/2

значит, и вес минимального паросочетания не превосходитWopt/2

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 33 / 55

Доказательство (продолжение)

важно отметить, что нам не нужно строить такой цикл; намважен лишь факт его существованияразбив вершины только что построенного цикла на чётные инечётные, мы получим два паросочетаниявес хотя бы одного из них будет не более Wopt/2

значит, и вес минимального паросочетания не превосходитWopt/2

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 33 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 34 / 55

Неприближаемость

Предположим, что существует 𝛼-приближённый алгоритмдля задачи коммивояжёра.

Возьмём тогда произвольный (невзвешенный инеобязательно полный) граф и присвоим всем его рёбрамвес 1.Между любыми двумя не соединёнными ребром вершинамидобавим ребро веса 𝛼n + 1.Заметим теперь, что если в исходном графе существуетгамильтонов цикл, то в новом графе существуетгамильтонов цикл веса n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 35 / 55

Неприближаемость

Предположим, что существует 𝛼-приближённый алгоритмдля задачи коммивояжёра.Возьмём тогда произвольный (невзвешенный инеобязательно полный) граф и присвоим всем его рёбрамвес 1.

Между любыми двумя не соединёнными ребром вершинамидобавим ребро веса 𝛼n + 1.Заметим теперь, что если в исходном графе существуетгамильтонов цикл, то в новом графе существуетгамильтонов цикл веса n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 35 / 55

Неприближаемость

Предположим, что существует 𝛼-приближённый алгоритмдля задачи коммивояжёра.Возьмём тогда произвольный (невзвешенный инеобязательно полный) граф и присвоим всем его рёбрамвес 1.Между любыми двумя не соединёнными ребром вершинамидобавим ребро веса 𝛼n + 1.

Заметим теперь, что если в исходном графе существуетгамильтонов цикл, то в новом графе существуетгамильтонов цикл веса n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 35 / 55

Неприближаемость

Предположим, что существует 𝛼-приближённый алгоритмдля задачи коммивояжёра.Возьмём тогда произвольный (невзвешенный инеобязательно полный) граф и присвоим всем его рёбрамвес 1.Между любыми двумя не соединёнными ребром вершинамидобавим ребро веса 𝛼n + 1.Заметим теперь, что если в исходном графе существуетгамильтонов цикл, то в новом графе существуетгамильтонов цикл веса n.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 35 / 55

Неприближаемость (продолжение)

Если же такого цикла в исходном графе нет, то самыйлёгкий цикл в новом графе имеет вес хотя бы(𝛼n + 1) + (n − 1) > 𝛼n.

Таким образом, с помощью 𝛼-приближенного алгоритма длязадачи о коммивояжёре мы можем понять, стоимостьоптимального цикла в построенном графе превосходит n илинет.А это позволит нам понять (за полиномиальное время!),есть в исходном графе гамильтонов цикл или нет.Но тогда P = NP.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 36 / 55

Неприближаемость (продолжение)

Если же такого цикла в исходном графе нет, то самыйлёгкий цикл в новом графе имеет вес хотя бы(𝛼n + 1) + (n − 1) > 𝛼n.Таким образом, с помощью 𝛼-приближенного алгоритма длязадачи о коммивояжёре мы можем понять, стоимостьоптимального цикла в построенном графе превосходит n илинет.

А это позволит нам понять (за полиномиальное время!),есть в исходном графе гамильтонов цикл или нет.Но тогда P = NP.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 36 / 55

Неприближаемость (продолжение)

Если же такого цикла в исходном графе нет, то самыйлёгкий цикл в новом графе имеет вес хотя бы(𝛼n + 1) + (n − 1) > 𝛼n.Таким образом, с помощью 𝛼-приближенного алгоритма длязадачи о коммивояжёре мы можем понять, стоимостьоптимального цикла в построенном графе превосходит n илинет.А это позволит нам понять (за полиномиальное время!),есть в исходном графе гамильтонов цикл или нет.

Но тогда P = NP.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 36 / 55

Неприближаемость (продолжение)

Если же такого цикла в исходном графе нет, то самыйлёгкий цикл в новом графе имеет вес хотя бы(𝛼n + 1) + (n − 1) > 𝛼n.Таким образом, с помощью 𝛼-приближенного алгоритма длязадачи о коммивояжёре мы можем понять, стоимостьоптимального цикла в построенном графе превосходит n илинет.А это позволит нам понять (за полиномиальное время!),есть в исходном графе гамильтонов цикл или нет.Но тогда P = NP.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 36 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 37 / 55

Теория и практика

Camil Demetrescu. Engineering shortest path algorithms

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 38 / 55

Теория и практика

Camil Demetrescu. Engineering shortest path algorithms

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 38 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 39 / 55

Динамическое программирование

Подзадачи: для подмножества городов S ⊆ {1, 2, . . . , n},включающего 1, и j ∈ S , обозначим через C [S , j ] длинукратчайшего пути, начинающегося в 1 и заканчивающегосяв j , проходящего через каждый город из множества S ровноодин раз.

Пересчёт: C [S , j ] = mini∈S,i =j

{C [S ∖ {j}, i ] + dij}.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 40 / 55

Динамическое программирование

Подзадачи: для подмножества городов S ⊆ {1, 2, . . . , n},включающего 1, и j ∈ S , обозначим через C [S , j ] длинукратчайшего пути, начинающегося в 1 и заканчивающегосяв j , проходящего через каждый город из множества S ровноодин раз.Пересчёт: C [S , j ] = min

i∈S,i =j{C [S ∖ {j}, i ] + dij}.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 40 / 55

Псевдокод

1 C [{1}, 1]← 02 for s ← 2 to n3 do for всех S ⊆ {1, 2, . . . , n} размера s, содержащих 14 do C [S , 1]←∞5 for всех j ∈ S , j = 16 do C [S , j ]← min

i∈S,i =j{C [S ∖ {j}, i ] + dij}

7 return minj

C [{1, . . . , n}, j ] + dj1

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 41 / 55

Сложность алгоритма

Время работы данного алгоритма есть O(n22n) = O*(2n).

Более того, памяти ему требуется тоже O*(2n), что делаетего совсем непрактичным.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 42 / 55

Сложность алгоритма

Время работы данного алгоритма есть O(n22n) = O*(2n).Более того, памяти ему требуется тоже O*(2n), что делаетего совсем непрактичным.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 42 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 43 / 55

Формула включений-исключений

Пусть A — некоторое множество, f , g : 2A → R, т.ч.f (X ) =

∑Y⊆X g(Y ). Тогда

g(X ) =∑Y⊆X

(−1)|X−Y |f (Y ) .

Доказательство

∑Y⊆X

(−1)|X−Y |f (Y ) =∑Y⊆X

∑Z⊆Y

(−1)|X−Y |g(Z ) =

=∑Z⊆X

g(Z )∑

Z⊆Y⊆X

(−1)|X−Y | = g(X )

(последняя сумма равна 1, если Z = X , и нулю иначе).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 44 / 55

Формула включений-исключений

Пусть A — некоторое множество, f , g : 2A → R, т.ч.f (X ) =

∑Y⊆X g(Y ). Тогда

g(X ) =∑Y⊆X

(−1)|X−Y |f (Y ) .

Доказательство

∑Y⊆X

(−1)|X−Y |f (Y ) =∑Y⊆X

∑Z⊆Y

(−1)|X−Y |g(Z ) =

=∑Z⊆X

g(Z )∑

Z⊆Y⊆X

(−1)|X−Y | = g(X )

(последняя сумма равна 1, если Z = X , и нулю иначе).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 44 / 55

Задача о гамильтоновом пути

Формулировка задачи: необходимо проверить, есть ли вданном графе простой путь, проходящий через все вершины,начинающийся в заданной вершине s и заканчивающийся взаданной вершине t.

Для {s, t} ⊆ X ⊆ V обозначим через g(X ) количество путей(не обязательно простых! путь может проходить понекоторым вершинам несколько раз, а по некоторым вообщене проходить) длины n − 1 из s в t, проходящих только повершинам множества X .Нетрудно видеть, что значение g(X ) содержится в строке s истолбце t матрицы An−1, где A — матрица смежности графаG [X ].

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 45 / 55

Задача о гамильтоновом пути

Формулировка задачи: необходимо проверить, есть ли вданном графе простой путь, проходящий через все вершины,начинающийся в заданной вершине s и заканчивающийся взаданной вершине t.Для {s, t} ⊆ X ⊆ V обозначим через g(X ) количество путей(не обязательно простых! путь может проходить понекоторым вершинам несколько раз, а по некоторым вообщене проходить) длины n − 1 из s в t, проходящих только повершинам множества X .

Нетрудно видеть, что значение g(X ) содержится в строке s истолбце t матрицы An−1, где A — матрица смежности графаG [X ].

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 45 / 55

Задача о гамильтоновом пути

Формулировка задачи: необходимо проверить, есть ли вданном графе простой путь, проходящий через все вершины,начинающийся в заданной вершине s и заканчивающийся взаданной вершине t.Для {s, t} ⊆ X ⊆ V обозначим через g(X ) количество путей(не обязательно простых! путь может проходить понекоторым вершинам несколько раз, а по некоторым вообщене проходить) длины n − 1 из s в t, проходящих только повершинам множества X .Нетрудно видеть, что значение g(X ) содержится в строке s истолбце t матрицы An−1, где A — матрица смежности графаG [X ].

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 45 / 55

Задача о гамильтоновом пути (продолжение)

Пусть теперь f (X ) есть количество путей длины n − 1 из sв t, проходящих по всем вершинам множества X . Вчастности, f (V ) есть количество гамильтоновых путей из sв t.

Тогдаf (V ) =

∑Y⊆V

(−1)|V−Y |g(Y ) .

Таким образом, количество гамильтоновых путей в графеможет быть найдено за время O*(2n) и полиномиальнуюпамять.Интересно отметить, что данный алгоритм переизобреталсятри раза.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 46 / 55

Задача о гамильтоновом пути (продолжение)

Пусть теперь f (X ) есть количество путей длины n − 1 из sв t, проходящих по всем вершинам множества X . Вчастности, f (V ) есть количество гамильтоновых путей из sв t.Тогда

f (V ) =∑Y⊆V

(−1)|V−Y |g(Y ) .

Таким образом, количество гамильтоновых путей в графеможет быть найдено за время O*(2n) и полиномиальнуюпамять.Интересно отметить, что данный алгоритм переизобреталсятри раза.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 46 / 55

Задача о гамильтоновом пути (продолжение)

Пусть теперь f (X ) есть количество путей длины n − 1 из sв t, проходящих по всем вершинам множества X . Вчастности, f (V ) есть количество гамильтоновых путей из sв t.Тогда

f (V ) =∑Y⊆V

(−1)|V−Y |g(Y ) .

Таким образом, количество гамильтоновых путей в графеможет быть найдено за время O*(2n) и полиномиальнуюпамять.

Интересно отметить, что данный алгоритм переизобреталсятри раза.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 46 / 55

Задача о гамильтоновом пути (продолжение)

Пусть теперь f (X ) есть количество путей длины n − 1 из sв t, проходящих по всем вершинам множества X . Вчастности, f (V ) есть количество гамильтоновых путей из sв t.Тогда

f (V ) =∑Y⊆V

(−1)|V−Y |g(Y ) .

Таким образом, количество гамильтоновых путей в графеможет быть найдено за время O*(2n) и полиномиальнуюпамять.Интересно отметить, что данный алгоритм переизобреталсятри раза.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 46 / 55

Содержание

1 Введение

2 ЭвристикиМетод ветвей и границМетод локального поиска

3 Приближённые алгоритмы1.5-приближение для Metric-TSPНеприближаемость общего случая

4 Точные алгоритмыДинамическое программированиеФормула включений-исключенийМатрица Татта и перманент

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 47 / 55

Замечание

Далее мы рассмотрим алгоритм Бьорклунда для решения задачио гамильтоновом цикле в двудольном графе за время O*(2n/2).Для общего случая задачи коммивояжёра оценка на времяработы алгоритма Бьорклунда составляет O*(1.657n ·W ) (W —максимальный вес ребра).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 48 / 55

Перманент матрицы Татта

1 2

43

x12 x13 x14

x12 x24

x13 x34

x14 x24 x34

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 49 / 55

Перманент матрицы Татта

1 2

43

x12 x13 x14

x12 x24

x13 x34

x14 x24 x34

perm(M) =

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 49 / 55

Перманент матрицы Татта

1 2

43

x12 x13 x14

x12 x24

x13 x34

x14 x24 x34

perm(M) = x12x24x43x31 + . . .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 49 / 55

Перманент матрицы Татта

1 2

43

x12 x13 x14

x12 x24

x13 x34

x14 x24 x34

perm(M) = x12x24x43x31 + x213x224 + . . .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 49 / 55

Перманент матрицы Татта

1 2

43

x12 x13 x14

x12 x24

x13 x34

x14 x24 x34

perm(M) = x12x24x43x31 + x213x224 +

x12x24x43x31 + . . .

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 49 / 55

Поле характеристики 2

Если вычислять перманент над полем характеристики 2, товсе циклы, не полностью состоящие из циклов длины 2,сократятся. Действительно, если в покрытии циклами естьцикл длины не 2, то возьмём первый из них (первыйотносительного какого-нибудь фиксированного порядка навершинах) и обратим в нём все рёбра. Получим другоепокрытие циклами, которому соответствует тот же самыймоном.

Мы хотим исправить следующие два момента: во-первых,чтобы гамильтоновы циклы не сокращались, а во-вторых,чтобы покрытия с циклами длины 2 всё же пропадали.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 50 / 55

Поле характеристики 2

Если вычислять перманент над полем характеристики 2, товсе циклы, не полностью состоящие из циклов длины 2,сократятся. Действительно, если в покрытии циклами естьцикл длины не 2, то возьмём первый из них (первыйотносительного какого-нибудь фиксированного порядка навершинах) и обратим в нём все рёбра. Получим другоепокрытие циклами, которому соответствует тот же самыймоном.Мы хотим исправить следующие два момента: во-первых,чтобы гамильтоновы циклы не сокращались, а во-вторых,чтобы покрытия с циклами длины 2 всё же пропадали.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 50 / 55

Первая цель: оставить гамильтоновы циклы

Сделаем вершину 1 графа выделенной: TG [1, j ] = x1j , ноTG [j , 1] = xj1 для ребра {1, j} ∈ E . Тогда каждому гамильтоновуциклу будут соответствовать два разных монома.

x12 x13 x14

x21 x24

x31 x34

x41 x24 x34

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 51 / 55

Вторая цель: сократить всё остальное

6

4

2

3

1

5

A

E

C

D

B

F

1

6

2

3

4

5AF

ABB

BF

BC

CEBECD

BD

DE

EEF

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 52 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.

В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .

При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).

Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);

негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Почему же всё сократится?

В новом графе нам нужен помеченный гамильтонов цикл.В матрице Татта теперь будут помеченные переменные:вместо x24 будет x24,C + x24,E .При вычислении над полем характеристики 2 гамильтоновыциклы по-прежнему не сократятся (из-за специальнойпеременной 1).Всё остальное:

покрытия циклами, в которых используются не всепометки — сократятся по формуле включений-исключений(рассмотрим все 2n/2 подмножеств пометок);негамилтьтоновы покрытия циклами, в которых есть всепометки, разобьются на пары и сократятся (из-за пометок).

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 53 / 55

Литература

A. Bjorklund.Determinant sums for undirected HamiltonicityProc. 51st IEEE Symposium on Foundations of ComputerScience (FOCS ’10), pp. 173–182.

M. Held, R. M. KarpA Dynamic Programming Approach to Sequencing ProblemsJournal of the Society for Industrial and Applied Mathematics 10(1): 196–210.

Paluch, K., Elbassioni, K., Zuylen, A. van.Simpler Approximation of the Maximum Asymmetric TravelingSalesman Problem.STACS’ 12.

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 54 / 55

Спасибо!

Спасибо за внимание!

А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 55 / 55