Решение задачи коммивояжера методом ветвей и границ

Расчетно-графическая работа

по теории алгоритмов

На тему

«Решение задачи коммивояжера методом ветвей и границ»

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 «круговое путешествие» 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, … 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 – 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 – 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 «деревянного» 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) – 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 «∞».

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

1. Находим в каждой строке матрицы  минимальный элемент  и 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  выбираем минимальный элемент ,  и 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 «∞» 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  на два подмножества  и . Подмножество гамильтоновых контуров содержит дугу ,  - ее не содержит. Для получения матрицы контуров , включающих дугу , вычеркиваем в матрице  строку  и столбец . Чтобы не допустить образования негамильтонова контура, заменим симметричный элемент на знак «∞».

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

8. Находим множество гамильтоновых контуров , не включающих дугу . Исключение дуги  достигается заменой элемента  в матрице  на ∞.

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

10. Сравниваем нижние границы подмножества гамильтоновых контуров  и . 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

 (1)

Условия (2) – (4) в совокупности обеспечивают, что каждая переменная  равна 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) – (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 ,  и .

4. Алгоритм решения

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

Табл.1