20130224 tsp csclub_spb

110
Алгоритмы для задачи коммивояжёра Александр Куликов Петербургское отделение Математического института им. В. А. Стеклова Российская академия наук Computer Science клуб 24 февраля 2012 А. Куликов (ПОМИ РАН) Алгоритмы для задачи коммивояжёра 24 февраля 2012 1 / 55

Transcript of 20130224 tsp csclub_spb

Page 1: 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

Page 2: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 3: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 4: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 5: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 6: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 7: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 8: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 9: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 10: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 11: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 12: 20130224 tsp csclub_spb

Ещё интересное

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

две книгимировые рекордыдатасетыпрограммыигрытриллер

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

Page 13: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 14: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 15: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 16: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 17: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 18: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 19: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 20: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 21: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 22: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 23: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 24: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 25: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 26: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 27: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 28: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 29: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 30: 20130224 tsp csclub_spb

2-окружение

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

Page 31: 20130224 tsp csclub_spb

Узкое место

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

Page 32: 20130224 tsp csclub_spb

3-окружение

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

Page 33: 20130224 tsp csclub_spb

Пример локального поиска (с 3-окружением)

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

Page 34: 20130224 tsp csclub_spb

Пример локального поиска (с 3-окружением)

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

Page 35: 20130224 tsp csclub_spb

Пример локального поиска (с 3-окружением)

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

Page 36: 20130224 tsp csclub_spb

Пример локального поиска (с 3-окружением)

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

Page 37: 20130224 tsp csclub_spb

Пример локального поиска (с 3-окружением)

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

Page 38: 20130224 tsp csclub_spb

Локальный поиск абстрактно

стоимость

локальный оптимум

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

Page 39: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 40: 20130224 tsp csclub_spb

Метод имитации отжига абстрактно

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

Page 41: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 42: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 43: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 44: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 45: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

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

Page 46: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

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

Page 47: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

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

Page 48: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

1

23

45

6

7

8

910 11

12

1314

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

Page 49: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

1

23

45

6

7

8

910 11

12

1314

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

Page 50: 20130224 tsp csclub_spb

Пример

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

Page 51: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 52: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 53: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 54: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 55: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 56: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 57: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 58: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 59: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 60: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 61: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 62: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 63: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 64: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 65: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 66: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 67: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 68: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 69: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 70: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 71: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 72: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 73: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 74: 20130224 tsp csclub_spb

Теория и практика

Camil Demetrescu. Engineering shortest path algorithms

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

Page 75: 20130224 tsp csclub_spb

Теория и практика

Camil Demetrescu. Engineering shortest path algorithms

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

Page 76: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 77: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 78: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 79: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 80: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 81: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 82: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 83: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 84: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 85: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 86: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 87: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 88: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 89: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 90: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 91: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 92: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 93: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 94: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 95: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 96: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 97: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 98: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 99: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 100: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 101: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 102: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 103: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 104: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 105: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 106: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 107: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 108: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 109: 20130224 tsp csclub_spb

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

Page 110: 20130224 tsp csclub_spb

Спасибо!

Спасибо за внимание!

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