Решение задачи коммивояжера методом ветвей и границ

Расчетно-графическая работа

по теории алгоритмов

На тему

ВлРешение задачи коммивояжера методом ветвей и границВ»

План

1. Вступление

2. Постановка задачи

3. Математическая модель задачи коммивояжера

4. Алгоритм решения

5. Выводы

6. Список использованной литературы

1. Вступление

В 1859 г. Сэр Вильям Гамильтон, знаменитый математик, давший миру теорию комплексного числа и кватерниона, предложил детскую головоломку, в которой предлагалось совершить Влкруговое путешествиеВ» по 20 городам, расположенных в различных частях земного шара. Каждый город соединялся дорогами с тремя соседними так, что дорожная сеть образовывала 30 ребер додекаэдра, в вершинах которого находились города a, b, тАж t. Обязательным условием являлось требование: каждый город за исключением первого можно посетить один раз.

Гамильтонова задача о путешественнике нередко преобразуется в задачу о коммивояжере. Коммивояжер тАУ не свободно путешествующий турист, а деловой человек, ограниченный временными, денежными или какими-либо другими ресурсами. Гамильтонова задача может стать задачей о коммивояжере, если каждое из ребер снабдить числовой характеристикой. Это может быть километраж, время на дорогу, стоимость билета, расход горючего и т.д. Таким образом, условные характеристики дадут числовой ряд, элементы которого могут быть распределены между ребрами как угодно.

2. Постановка задачи

Рассмотрим задачу о коммивояжере.

Имеются n городов, расстояния (стоимость проезда, расход горючего на дорогу и т.д.) между которыми известны. Коммивояжер должен пройти все n городов по одному разу, вернувшись в тот город, с которого начал. Требуется найти такой маршрут движения, при котором суммарное пройденное расстояние (стоимость проезда и т.д.) будет минимальным.

Очевидно, что задача коммивояжера тАУ это задача отыскания кратчайшего гамильтонова цикла в полном графе.

Можно предложить следующую простую схему решения задачи коммивояжера: сгенерировать все n! возможных перестановок вершин полного графа, подсчитать для каждой перестановки длину маршрута и выбрать кратчайший. Однако, n! с ростом n растет быстрее, чем любой полином от n, и даже быстрее, чем . Таким образом, решение задачи коммивояжера методом полного перебора оказывается практически неосуществимым, даже при достаточно небольших n.

Решить задачу коммивояжера также можно с помощью алгоритма Крускала и ВлдеревянногоВ» алгоритма. Эти методы ускоряют разработку алгоритма по сравнению с методом полного перебора, однако не всегда дают оптимальное решение.

Существует метод решения задачи коммивояжера, который дает оптимальное решение. Этот метод называется методом ветвей и границ. Решение задачи коммивояжера методом ветвей и границ по-другому называют алгоритмом Литтла.

Если считать города вершинами графа, а коммуникации (i,j) тАУ его дугами, то требование нахождения минимального пути, проходящего один и только один раз через каждый город, и возвращения обратно, можно рассматривать как нахождение на графе гамильтонова контура минимальной длины.

Для практической реализации идеи метода ветвей и границ применительно к задаче коммивояжера нужно найти метод определения нижних границ подмножества и разбиения множества гамильтоновых контуров на подмножества (ветвление).

Определение нижних границ базируется на том утверждении, что если ко всем элементам i-й строки или j-го столбца матрицы C прибавить или отнять число , то задача останется эквивалентной прежней, то есть оптимальность маршрута коммивояжера не изменится, а длина любого гамильтонова контура изменится на данную величину .

Опишем алгоритм Литтла для нахождения минимального гамильтонова контура для графа с n вершинами. Граф представляют в виде матрицы его дуг. Если между вершинами X_i и X_j нет дуги, то ставится символ Вл∞В».

Алгоритм Литтла для решения задачи коммивояжера можно сформулировать в виде следующих правил:

1. Находим в каждой строке матрицы Ваминимальный элемент Ваи вычитаем его из всех элементов соответствующей строки. Получим матрицу, приведенную по строкам, с элементами

2. Если в матрице , приведенной по строкам, окажутся столбцы, не содержащие нуля, то приводим ее по столбцам. Для этого в каждом столбце матрицы Вавыбираем минимальный элемент , Ваи вычитаем его из всех элементов соответствующего столбца. Получим матрицу

каждая строка и столбец, которой содержит хотя бы один нуль. Такая матрица называется приведенной по строкам и столбцам.

3. Суммируем элементы и , получим константу приведения

которая будет нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров, то есть

4. Находим степени нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого мысленно нули в матице заменяем на знак Вл∞В» и находим сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю. Записываем ее в правом верхнем углу клетки

5. Выбираем дугу , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения

6. Разбиваем множество всех гамильтоновых контуров Вана два подмножества Ваи . Подмножество гамильтоновых контуров содержит дугу , Ва- ее не содержит. Для получения матрицы контуров , включающих дугу , вычеркиваем в матрице Вастроку Ваи столбец . Чтобы не допустить образования негамильтонова контура, заменим симметричный элемент на знак Вл∞В».

7. Приводим матрицу гамильтоновых контуров . Пусть Ва- константа ее приведения. Тогда нижняя граница множества определится так

8. Находим множество гамильтоновых контуров , не включающих дугу . Исключение дуги Вадостигается заменой элемента Вав матрице Вана ∞.

9. Делаем приведение матрицы гамильтоновых контуров . Пусть Ва- константа ее приведения. Нижняя граница множества определится так

10. Сравниваем нижние границы подмножества гамильтоновых контуров Ваи . Если , то дальнейшему ветвлению в первую очередь подлежит множество . Если же , то разбиению подлежит множество .

Процесс разбиения множеств на подмножества сопровождается построением дерева ветвлений.

11. Если в результате ветвлений получаем матрицу , то определяем полученный ветвлением гамильтонов контур и его длину.

12. Сравниваем длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей. Если длина контура не превышает их нижних границ, то задача решена. В противном случае развиваем ветви подмножеств с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получим маршрут с меньшей длиной или не убедимся, что такого не существует.

3. Математическая модель задачи коммивояжера

Задача коммивояжера может быть сформулирована как целочисленная введением булевых переменных , если маршрут включает переезд из города i непосредственно в город j и в противном случае. Тогда можно задать математическую модель задачи, то есть записать целевую функцию и систему ограничений

Ва(1)

Условия (2) тАУ (4) в совокупности обеспечивают, что каждая переменная Варавна или нулю, или единице. При этом ограничения (2), (3) выражают условия, что коммивояжер побывает в каждом городе один раз в него прибыв (ограничение (2)), и один раз из него выехав (ограничение (3)).

Однако этих ограничений не достаточно для постановки задачи коммивояжера, так как они не исключают решения, где вместо простого цикла, проходящего через n вершин, отыскиваются 2 и более отдельных цикла (подцикла), проходящего через меньшее число вершин. Поэтому задача, описанная уравнениями (2) тАУ (4) должна быть дополнена ограничениями, обеспечивающими связность искомого цикла.

Для того, чтобы исключить при постановке задачи все возможные подциклы в систему ограничений задачи включают следующее ограничение:

, где , Ваи .

4. Алгоритм решения

Дана матрица расстояний, представленная в таблице 1. Необходимо с помощью алгоритма Литтла решить задачу коммивояжера.

Табл.1

ВаВаВаВаВаВа Ваj i	1	2	3	4	5	6
1	∞	7	16	21	2	17
2	13	∞	21	15	43	23
3	25	3	∞	31	17	9
4	13	10	27	∞	33	12
5	9	2	19	14	∞	51
6	42	17	5	9	23	∞

Вместе с этим смотрят:

РЖнварiантнi пiдпростори. Власнi вектори i власнi значення лiнiйного оператора

Автокорреляционная функция. Примеры расчётов

Актуальные проблемы квантовой механики

Алгебра и алгебраические системы

Анализ эмпирического распределения