1. Общее описание
Задача коммивояжера (в дальнейшем сокращённо - ЗК) является одной из знаменитых задач теории комбинаторики. Она была поставлена в 1934 году, и об неё, как об Великую теорему Ферма обламывали зубы лучшие математики. В своей области (оптимизации дискретных задач) ЗК служит своеобразным
полигоном, на котором испытываются всё новые методы.

Постановка задачи следующая. Коммивояжер (бродячий торговец) должен выйти из первого города, посетить по разу в неизвестном порядке города 2,1,3..n и вернуться в первый город. Расстояния между городами известны. В каком порядке следует обходить города, чтобы замкнутый путь (тур) коммивояжера был кратчайшим?

Чтобы привести задачу к научному виду, введём некоторые термины. Итак, города перенумерованы числами j(Т=(1,2,3..n). Тур коммивояжера может быть описан циклической перестановкой t=(j1,j2,..,jn,j1), причём все j1..jn – разные номера; повторяющийся в начале и в конце j1, показывает, что перестановка зациклена. Расстояния между парами вершин Сij образуют матрицу С. Задача состоит в том, чтобы найти такой тур t, чтобы минимизировать функционал

Относительно математизированной формулировки ЗК уместно сделать два замечания.
Во-первых, в постановке Сij означали расстояния, поэтому они должны быть неотрицательными, т.е. для всех j(Т:
|Сij(0; Cjj=? |(2)|

(последнее равенство означает запрет на петли в туре), симметричными, т.е. для всех i,j: |Сij= Сji. |(3)|

И удовлетворять неравенству треугольника, т.е. для всех:
|Сij+ Сjk(Cik |(4)|

В математической постановке говорится о произвольной матрице. Сделано это потому, что имеется много прикладных задач, которые описываются основной моделью, но всем условиям (2)-(4) не удовлетворяют. Особенно часто
нарушается условие (3) (например, если Сij – не расстояние, а плата за проезд: часто туда билет стоит одну цену, а обратно – другую). Поэтому мы будем различать два варианта ЗК: симметричную задачу, когда условие (3)
выполнено, и несимметричную - в противном случае. Условия (2)-(4) по умолчанию мы будем считать выполненными.
Второе замечание касается числа всех возможных туров. В несимметричной ЗК все туры t=(j1,j2,..,jn,j1) и t’=(j1,jn,..,j2,j1) имеют разную длину и должны учитываться оба. Разных туров очевидно (n-1)!.
Зафиксируем на первом и последнем месте в циклической перестановке номер j1, а оставшиеся n-1 номеров переставим всеми (n-1)! возможными способами.
В результате получим все несимметричные туры. Симметричных туров имеется в два раз меньше, т.к. каждый засчитан два раза: как t и как t’.
Можно представить, что С состоит только из единиц и нулей. Тогда С можно интерпретировать, как граф, где ребро (i,j) проведено, если Сij=0 и не проведено, если Сij=1. Тогда, если существует тур длины 0, то он пройдёт по циклу, который включает все вершины по одному разу. Такой цикл называется гамильтоновым циклом. Незамкнутый гамильтонов цикл называется гамильтоновой цепью (гамильтоновым путём).
В терминах теории графов симметричную ЗК можно сформулировать так:
Дана полная сеть с n вершинами, длина ребра (i,j)= Сij. Найти гамильтонов цикл минимальной длины.
В несимметричной ЗК вместо «цикл» надо говорить «контур», а вместо «ребра» - «дуги» или «стрелки».
Некоторые прикладные задачи формулируются как ЗК, но в них нужно минимизировать длину не гамильтонова цикла, а гамильтоновой цепи. Такие задачи называются незамкнутыми. Некоторые модели сводятся к задаче о нескольких коммивояжерах, но мы здесь их рассматривать не будем.

1.2. Методы решения ЗК

1.2.1. Жадный алгоритм

Жадный алгоритм – алгоритм нахождения наикратчайшего расстояния путём выбора самого короткого, ещё не выбранного ребра, при условии, что оно не образует цикла с уже выбранными рёбрами. «Жадным» этот алгоритм назван
потому, что на последних шагах приходится жестоко расплачиваться за жадность.
Посмотрим, как поведет себя при решении ЗК жадный алгоритм. Здесь он превратится в стратегию «иди в ближайший (в который еще не входил) город».
Жадный алгоритм, очевидно, бессилен в этой задаче.

Рассмотрим для примера сеть на рис. 2, представляющую узкий ромб. Пусть коммивояжер стартует из города 1. Алгоритм «иди вы ближайший город» выведет его в город 2, затем 3, затем 4; на последнем шаге придется платить за жадность, возвращаясь по длинной диагонали ромба. В результате получится не кратчайший, а длиннейший тур.
В пользу процедуры «иди в ближайший» можно сказать лишь то, что при старте из одного города она не уступит стратегии «иди в дальнейший».
Как видим, жадный алгоритм ошибается. Можно ли доказать, что он ошибается умеренно, что полученный им тур хуже минимального, положим, в 1000 раз? Мы докажем, что этого доказать нельзя, причем не только для жадного логарифма, а для алгоритмов гораздо более мощных. Но сначала нужно договориться, как оценивать погрешность неточных алгоритмов, для определенности, в задаче минимизации. Пусть fB - настоящий минимум, а fA - тот квазиминимум, который получен по алгоритму. Ясно, что fA/ fB?1, но это – тривиальное утверждение, что может быть погрешность. Чтобы оценить её, нужно зажать отношение оценкой сверху: |fA/fB ?1+ n?, |(5)|

Где, как обычно в высшей математике, ??0, но, против обычая, может быть очень большим. Величина? и будет служить мерой погрешности. Если алгоритм минимизации будет удовлетворять неравенству (5), мы будем говорить, что он имеет погрешность?

Предположим теперь, что имеется алгоритм А решения ЗК, погрешность которого нужно оценить. Возьмем произвольный граф G (V,E) и по нему составим входную матрицу ЗК:

|С={ |1,если ребро (i,j) принадлежит Е | | |1+n? в противном случае |

Если в графе G есть гамильтонов цикл, то минимальный тур проходит по этому циклу и fB = n. Если алгоритм А тоже всегда будет находить этот путь, то по результатам алгоритма можно судить, есть ли гамильтонов цикл в произвольном графе. Однако, непереборного алгоритма, который мог бы ответить, есть ли гамильтонов цикл в произвольном графе, до сих пор никому не известно. Таким образом, наш алгоритм А должен иногда ошибаться и включать в тур хотя бы одно ребро длины 1+n?. Но тогда fA((n-1)+(1+n?) так что fA/fB=1+n? т.е. превосходит погрешность? на заданную неравенством (5). О величине? в нашем рассуждении мы не договаривались, так что? может быть произвольно велик.

Таким образом доказана следующая теорема. Либо алгоритм А определяет, существует ли в произвольном графе гамильтонов цикл, либо погрешность А при решении ЗК может быть произвольно велика.
Это соображение было впервые опубликовано Сани и Гонзалесом в 1980 г. Теорема Сани-Гонзалеса основана на том, что нет никаких ограничений на длину ребер. Теорема не проходит, если расстояния подчиняются неравенству треугольника (4).

Если оно соблюдается, можно предложить несколько алгоритмов с погрешностью 12. Прежде, чем описать такой алгоритм, следует вспомнить старинную головоломку. Можно ли начертить одной линией открытый конверт?
Рис.2 показывает, что можно (цифры на отрезках показывают порядок их проведения). Закрытый конверт (рис.3.) одной линией нарисовать нельзя и вот почему. Будем называть линии ребрами, а их перекрестья – вершинами.
Когда через точку проводится линия, то используется два ребра – одно для входа в вершину, одно – для выхода. Если степень вершины нечетна – то в ней линия должна начаться или кончиться. На рис. 3 вершин нечетной степени
две: в одной линия начинается, в другой – кончается. Однако на рис. 4 имеется четыре вершины степени три, но у одной линии не может быть четыре конца. Если же нужно прочертить фигуру одной замкнутой линией, то все ее вершины должны иметь четную степень. Верно и обратное утверждение: если все вершины имеют четную степень, то фигуру можно нарисовать одной незамкнутой линией. Действительно, процесс проведения линии может кончиться, только если линия придет в вершину,
откуда уже выхода нет: все ребра, присоединенные к этой вершине (обычно говорят: инцидентные этой вершине), уже прочерчены. Если при этом нарисована вся фигура, то нужное утверждение доказано; если нет, удалим уже
нарисованную часть G’. После этого от графа останется одна или несколько связных компонент; пусть G’ – одна из таких компонент. В силу связности исходного графа G, G’ и G’’ имеют хоть одну общую вершину, скажем, v. Если
в G’’ удалены какие-то ребра, то по четному числу от каждой вершины.

Поэтому G’’ – связный и все его вершины имеют четную степень. Построим цикл в G’’ (может быть, не нарисовав всего G’’) и через v добавим прорисованную часть G’’ к G’. Увеличивая таким образом прорисованную часть G’, мы добьемся того, что G’ охватит весь G.

Эту задачу когда-то решил Эйлер, и замкнутую линию, которая покрывает все ребра графа, теперь называю эйлеровым циклом. По существу была доказана следующая теорема.

Эйлеров цикл в графе существует тогда и только тогда, когда (1) граф связный и (2) все его вершины имеют четные степени.

1.2.2. Деревянный алгоритм

Теперь можно обсудить алгоритм решения ЗК через построение кратчайшего остовного дерева. Для краткости будет называть этот алгоритм деревянным. Вначале обсудим свойство спрямления. Рассмотрим какую-нибудь цепь, например, на рис.5. Если справедливо неравенство треугольника, то d(d+d и d(d+d
Сложив эти два неравенства, получим d+d(d+d+d+d. По неравенству треугольника получим. d(d+d. Окончательно d(d+d+d+d

Итак, если справедливо неравенство треугольника, то для каждой цепи верно, что расстояние от начала до конца цепи меньше (или равно) суммарной длины всех ребер цепи. Это обобщение расхожего убеждения, что прямая короче кривой.

Вернемся к ЗК и опишем решающий ее деревянный алгоритм.
1. Построим на входной сети ЗК кратчайшее остовное дерево и удвоим все его ребра. Получим граф G – связный и с вершинами, имеющими только четные степени.
2. Построим эйлеров цикл G, начиная с вершины 1, цикл задается перечнем вершин.
3. Просмотрим перечень вершин, начиная с 1, и будем зачеркивать каждую
вершину, которая повторяет уже встреченную в последовательности.
Останется тур, который и является результатом алгоритма.

Пример 1. Дана полная сеть, показанная на рис.5. Найти тур жадным и
деревянным алгоритмами.
|- |1 |2 |3 |4 |5 |6 |
|1 |- |6 |4 |8 |7 |14|
|2 |6 |- |7 |11|7 |10|
|3 |4 |7 |- |4 |3 |10|

Решение. Жадный алгоритм (иди в ближайший город из города 1) дает тур 1–(4)–3-(3)–5(5)–4–(11)–6–(10)–2–(6)–1, где без скобок показаны номера вершин, а в скобках – длины ребер. Длина тура равна 39, тур показана на рис. 5.

2. Деревянный алгоритм вначале строит остовное дерево, показанное на рис. 6 штриховой линией, затем эйлеров цикл 1-2-1-3-4-3-5-6-5-3-1, затем тур 1-2-3-4-5-6-1 длиной 43, который показан сплошной линией на рис. 6.

Теорема. Погрешность деревянного алгоритма равна 1.
Доказательство. Возьмем минимальный тур длины fB и удалим из него максимальное ребро. Длина получившейся гамильтоновой цепи LHC меньше fB. Но эту же цепь можно рассматривать как остовное дерево, т. к. эта цепь достигает все вершины и не имеет циклов. Длина кратчайшего остовного дерева LMT меньше или равна LHC. Имеем цепочку неравенств
|fB>LHC(LMT |(6)|

Но удвоенное дерево – оно же эйлеров граф – мы свели к туру посредством спрямлений, следовательно, длина полученного по алгоритму тура удовлетворяет неравенству |2LMT>fA |(7)|

Умножая (6) на два и соединяя с (7), получаем цепочку неравенств |2fB>2LHC(2LMT(fA |(8)|

Т.е. 2fB>fA, т.е. fA/fB>1+(; (=1.
Теорема доказана.
Таким образом, мы доказали, что деревянный алгоритм ошибается менее, чем в два раза. Такие алгоритмы уже называют приблизительными, а не просто эвристическими.
Известно еще несколько простых алгоритмов, гарантирующих в худшем случае (=1. Для того, чтобы найти среди них алгоритм поточнее, зайдем с другого конца и для начала опишем «brute-force enumeration» - «перебор животной силой», как его называют в англоязычной литературе. Понятно, что полный перебор практически применим только в задачах малого размера.
Напомним, что ЗК с n городами требует при полном переборе рассмотрения (n- 1)!/2 туров в симметричной задаче и (n-1)! Туров в несимметричной, а факториал, как показано в следующей таблице, растет удручающе быстро:
|1 |- |0 |0 |3 |3 |6 |
|2 |0 |- |1 |4 |1 |0 |
|3 |1 |2 |- |0 |0 |3 |
|табл. 4 |

Изложим алгоритм Литтла на примере 1 предыдущего раздела.. Повторно запишем матрицу:
|-|1 |2 |3 |4 |5|6 |
|1|- |6 |4 |8 |7|14|

Нам будет удобнее трактовать Сij как стоимость проезда из города i в город j. Допустим, что добрый мэр города j издал указ выплачивать каждому въехавшему в город коммивояжеру 5 долларов. Это означает, что любой тур подешевеет на 5 долларов, поскольку в любом туре нужно въехать в город j. Но поскольку все туры равномерно подешевели, то прежний минимальный тур будет и теперь стоить меньше всех. Добрый же поступок мэра можно представить как уменьшение всех чисел j-го столбца матрицы С на 5. Если бы мэр хотел спровадить коммивояжеров из j-го города и установил награду за выезд в размере 10 долларов, это можно было бы выразить вычитанием 10 из всех элементов j-й той строки. Это снова бы изменило стоимость каждого тура, но минимальный тур остался бы минимальным. Итак, доказана следующая лемма.
Вычитая любую константу из всех элементов любой строки или столбца матрицы С, мы оставляем минимальный тур минимальным.
Для алгоритма нам будет удобно получить побольше нулей в матрице С, не получая там, однако, отрицательных чисел. Для этого мы вычтем из каждой строки ее минимальный элемент (это называется приведением по строкам, см. табл. 3), а затем вычтем из каждого столбца матрицы, приведенной по строкам, его минимальный элемент, получив матрицу, приведенную по столбцам, см. табл. 4). Прочерки по диагонали означают, что из города i в город i ходить нельзя. Заметим, что сумма констант приведения по строкам равна 27, сумма по столбцам 7, сумма сумм равна 34. Тур можно задать системой из шести подчеркнутых (выделенных другим цветом) элементов матрицы С, например, такой, как показано на табл. 2.
Подчеркивание элемента означает, что в туре из i-го элемента идут именно в j-тый. Для тура из шести городов подчеркнутых элементов должно быть шесть, так как в туре из шести городов есть шесть ребер. Каждый столбец должен содержать ровно один подчеркнутый элемент (в каждый город коммивояжер въехал один раз), в каждой строке должен быть ровно один
подчеркнутый элемент (из каждого города коммивояжер выехал один раз); кроме того, подчеркнутые элементы должны описывать один тур, а не несколько меньших циклов. Сумма чисел подчеркнутых элементов есть стоимость тура. На
табл. 2 стоимость равна 36, это тот минимальный тур, который получен лексикографическим перебором.
Теперь будем рассуждать от приведенной матрицы на табл. 2. Если в ней удастся построить правильную систему подчеркнутых элементов, т.е. систему, удовлетворяющую трем вышеописанным требованиям, и этими подчеркнутыми
элементами будут только нули, то ясно, что для этой матрицы мы получим минимальный тур. Но он же будет минимальным и для исходной матрицы С, только для того, чтобы получить правильную стоимость тура, нужно будет
обратно прибавить все константы приведения, и стоимость тура изменится с 0 до 34. Таким образом, минимальный тур не может быть меньше 34. Мы получили оценку снизу для всех туров. Теперь приступим к ветвлению. Для этого проделаем шаг оценки нулей. Рассмотрим нуль в клетке (1,2) приведенной матрицы. Он означает, что цена
перехода из города 1 в город 2 равна 0. А если мы не пойдем из города 1 в город 2? Тогда все равно нужно въехать в город 2 за цены, указанные во втором столбце; дешевле всего за 1 (из города 6). Далее, все равно надо будет выехать из города 1 за цену, указанную в первой строке; дешевле всего в город 3 за 0. Суммируя эти два минимума, имеем 1+0=1: если не ехать «по
нулю» из города 1 в город 2, то надо заплатить не меньше 1. Это и есть оценка нуля. Оценки всех нулей поставлены на табл. 5 правее и выше нуля (оценки нуля, равные нулю, не ставились). Выберем максимальную из этих оценок (в примере есть несколько оценок, равных единице, выберем первую из них, в клетке (1,2)).
Итак, выбрано нулевое ребро (1,2). Разобьем все туры на два класса – включающие ребро (1,2) и не включающие ребро (1,2). Про второй класс можно сказать, что придется приплатить еще 1, так что туры этого класса стоят 35 или больше.
Что касается первого класса, то в нем надо рассмотреть матрицу на табл. 6 с вычеркнутой первой строкой и вторым столбцом.
| |1|2|3|4|5|6|
|1|-|0|0|3|3|6|
| | |1| | | | |
|2|0|-|1|4|1|0|
| |1| | | | | |
|3|1|2|-|0|0|3|
| | | | |1| | |
| |1|3|4|5|6|
|2|0|1|4|1|0|
| |1| | | | |
|3|1|-|0|0|3|
| | | |1| | |
|4|4|0|-|1|3|
| | |1| | | |
|5|4|0|1|-|0|
|6|7|3|3|0|-|
| | | | |1| |
|табл. 6 |
| |1|3|4|5|6|
|2|0|1|4|1|0|
| |1| | | | |
|3|0|-|0|0|3|
| |3| |1| | |
|4|3|0|-|1|3|
| | |1| | | |
|5|3|0|1|-|0|
|6|6|3|3|0|-|
| | | | |1| |
|табл. 7 |
| |3|4|5|6|
|2|1|4|1|0|
|4|0|-|1|3|
| |1| | | |
|5|0|1|-|0|
|6|3|3|0|-|
| | | |1| |
|табл. 8 |

Дополнительно в уменьшенной матрице поставлен запрет в клетке (2,1), т. к. выбрано ребро (1,2) и замыкать преждевременно тур ребром (2,1) нельзя. Уменьшенную матрицу можно привести на 1 по первому столбцу, так что каждый тур, ей отвечающий, стоит не меньше 35. Результат наших ветвлений и получения оценок показан на рис.6. Кружки представляют классы: верхний кружок – класс всех туров; нижний левый – класс всех туров, включающих ребро (1,2); нижний правый – класс всех
туров, не включающих ребро (1,2). Числа над кружками – оценки снизу. Продолжим ветвление в положительную сторону: влево - вниз. Для этого оценим нули в уменьшенной матрице C на табл. 7. Максимальная оценка в клетке (3,1) равна 3. Таким образом, оценка для правой нижней вершины на рис. 7 есть 35+3=38. Для оценки левой нижней вершины на рис. 7 нужно вычеркнуть из матрицы C еще строку 3 и столбец 1, получив матрицу C[(1,2),(3,1)] на табл. 8. В эту матрицу нужно поставить запрет в клетку (2,3), так как уже построен фрагмент тура из ребер (1,2) и (3,1), т.е. , и нужно запретить преждевременное замыкание (2,3). Эта матрица приводится по столбцу на 1 (табл. 9), таким образом, каждый тур
соответствующего класса (т.е. тур, содержащий ребра (1,2) и (3,1)) стоит 36 и более.
| |3 |4 |5 |6 |
|2 |1 |3 |1 |0 |
|4 |01|- |1 |3 |
|5 |0 |02|- |0 |
|6 |3 |2 |03|- |
|табл. 9 |
| |3|4|6|
|2|1|3|0|
| | | |3|
|4|0|-|3|
| |3| | |
|5|0|0|0|
| | |3| |
|табл. 10 |
| |3 |4 |
|4 |0 |- |
|5 |0 |0 |
|табл. 11 |

Оцениваем теперь нули в приведенной матрице C[(1,2),(3,1)] нуль с максимальной оценкой 3 находится в клетке (6,5). Отрицательный вариант имеет оценку 38+3=41. Для получения оценки положительного варианта убираем строчку 6 и столбец 5, ставим запрет в клетку (5,6), см. табл. 10. Эта матрица неприводима. Следовательно, оценка положительного варианта не
увеличивается (рис.8). Оценивая нули в матрице на табл. 10, получаем ветвление по выбору ребра (2,6), отрицательный вариант получает оценку 36+3=39, а для получения оценки положительного варианта вычеркиваем вторую строку и шестой столбец,
получая матрицу на табл. 11. В матрицу надо добавить запрет в клетку (5,3), ибо уже построен фрагмент тура и надо запретить преждевременный возврат (5,3). Теперь, когда осталась матрица 2х2 с запретами по диагонали, достраиваем
тур ребрами (4,3) и (5,4). Мы не зря ветвились, по положительным вариантам. Сейчас получен тур: 1>2>6>5>4>3>1 стоимостью в 36. При достижении низа по дереву перебора класс туров сузился до одного тура, а оценка снизу
превратилась в точную стоимость. Итак, все классы, имеющие оценку 36 и выше, лучшего тура не содержат.
Поэтому соответствующие вершины вычеркиваются. Вычеркиваются также вершины, оба потомка которой вычеркнуты. Мы колоссально сократили полный перебор. Осталось проверить, не содержит ли лучшего тура класс, соответствующий
матрице С, т.е. приведенной матрице С с запретом в клетке 1,2, приведенной на 1 по столбцу (что дало оценку 34+1=35). Оценка нулей дает 3 для нуля в клетке (1,3), так что оценка отрицательного варианта 35+3
превосходит стоимость уже полученного тура 36 и отрицательный вариант отсекается.
Для получения оценки положительного варианта исключаем из матрицы первую строку и третий столбец, ставим запрет (3,1) и получаем матрицу. Эта матрица приводится по четвертой строке на 1, оценка класса достигает 36 и
кружок зачеркивается. Поскольку у вершины «все» убиты оба потомка, она убивается тоже. Вершин не осталось, перебор окончен. Мы получили тот же минимальный тур, который показан подчеркиванием на табл. 2.
Удовлетворительных теоретических оценок быстродействия алгоритма Литтла и родственных алгоритмов нет, но практика показывает, что на современных ЭВМ они часто позволяют решить ЗК с n = 100. Это огромный прогресс по сравнению с полным перебором. Кроме того, алгоритмы типа ветвей и границ являются, если нет возможности доводить их до конца, эффективными эвристическими процедурами.

1.2.4. Алгоритм Дейкстры

Одним из вариантов решения ЗК является вариант нахождения кратчайшей цепи, содержащей все города. Затем полученная цепь дополняется начальным городом – получается искомый тур. Можно предложить много процедур решения этой задачи, например, физическое моделирование. На плоской доске рисуется карта местности, в города, лежащие на развилке дорог, вбиваются гвозди, на каждый гвоздь надевается кольцо, дороги укладываются верёвками, которые привязываются к
соответствующим кольцам. Чтобы найти кратчайшее расстояние между i и k, нужно взять I в одну руку и k в другую и растянуть. Те верёвки, которые натянутся и не дадут разводить руки шире и образуют кратчайший путь между i
и k. Однако математическая процедура, которая промоделирует эту физическую, выглядит очень сложно. Известны алгоритмы попроще. Один из них – алгоритм Дейкстры, предложенный Дейкстрой ещё в 1959г. Этот алгоритм решает общую
задачу:
В ориентированной, неориентированной или смешанной (т. е. такой, где часть дорог имеет одностороннее движение) сети найти кратчайший путь между двумя заданными вершинами. Алгоритм использует три массива из n (= числу вершин сети) чисел каждый. Первый массив a содержит метки с двумя значениями: 0 (вершина ещё не рассмотрена) и 1 (вершина уже рассмотрена); второй массив b содержит расстояния – текущие кратчайшие расстояния от vi до соответствующей
вершины; третий массив c содержит номера вершин – k-й элемент ck есть номер предпоследней вершины на текущем кратчайшем пути из vi в vk. Матрица расстояний Dik задаёт длины дуг dik; если такой дуги нет, то dik присваивается большое число Б, равное «машинной бесконечности».

Теперь можно описать: Алгоритм Дейкстры 1(инициализация).

В цикле от одного до n заполнить нулями массив а; заполнить числом i массив с: перенести i-тую строку матрицы D в массив b;
a[i]:=1; c[i]:=0; {i-номер стартовой вершины} 2(общий шаг). Найти минимум среди неотмеченных (т. е. тех k, для которых a[k]=0); пусть минимум достигается на индексе j, т. е. bj(bk; a[j]:=1; если bk>bj+djk то (bk:=bj+djk; ck:=j) {Условие означает, что путь vi..vk длиннее, чем путь vi..vj,vk . Если все a[k] отмечены, то длина пути vi..vk равна b[k]. Теперь надо перечислить вершины, входящие в кратчайший путь}

3(выдача ответа).
{Путь vi..vk выдаётся в обратном порядке следующей процедурой:}
3.1. z:=c[k];
3.2. Выдать z;
3.3. z:=c[z]; Если z = 0, то конец, иначе перейти к 3.2.
Для выполнения алгоритма нужно n раз просмотреть массив b из n элементов, т. е. алгоритм Дейкстры имеет квадратичную сложность. Проиллюстрируем работу алгоритма Дейкстры численным примером (для большей сложности, считаем, что некоторые города (вершины) i,j не соединены между собой, т. е. D=?). Пусть, например, i=3. Требуется найти кратчайшие
пути из вершины 3. Содержимое массивов a,b,c после выполнения первого пункта показано на табл. 12:

Очевидно, содержимое таблицы меняется по мере выполнения общего шага. Это видно из следующей таблицы:
Одним из возможных недостатков такого алгоритма является необходимость знать не матрицу расстояний, а координаты каждого города на плоскости. Если нам известна матрица расстояний между городами, но неизвестны их координаты, то для их нахождения нужно будет решить n систем квадратных уравнений с n неизвестными для каждой координаты. Уже для 6 городов это сделать очень сложно. Если же, наоборот, имеются координаты всех городов, но нет матрицы расстояний между ними, то создать эту матрицу несложно. Это можно легко сделать в уме для 5-6 городов. Для большего количества городов
можно воспользоваться возможностями компьютера, в то время как промоделировать решение системы квадратных уравнений на компьютере довольно сложно.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что мой алгоритм, наряду с деревянным алгоритмом и алгоритмом Дейкстры, можно отнести к приближённым (хотя за этим алгоритмом ни разу не было замечено выдачи неправильного варианта).

1.2.6. Анализ методов решения задачи коммивояжера

Для подведения итогов в изучении методов решения ЗК протестируем наиболее оптимальные алгоритмы на компьютере по следующим показателям: количество городов, время обработки, вероятность неправильного ответа.

Данные занесём в таблицу.
|Алгоритм лексического перебора |
|Кол-во |Время обработки,|Вероятность неправильного |Тип |
|городов |c |ответа, % |алгоритма |
|10 |41 |0 |точный |
|12 |12000=3ч.20мин |0 | |
|32 |-* |0 | |
|100 |-* |0 | |
|Метод ветвей и границ |
|10 |~0 |0 |точный |
|32 |~0.0001 |0 | |
|100 |1.2 |0 | |
|Мой алгоритм решения ЗК |
|10 |0.001 |0 |приближенный|
|32 |2.5 |0 | |
|100 |6 |0 | |

*- ЗК с таким количеством городов методом лексического перебора
современный компьютер не смог бы решить даже за всё время существования
Вселенной.
Как видим по результатам этой таблицы, алгоритм лексического перебора
можно применять лишь в случае с количеством городов 5..12. Метод ветвей и
границ, наряду с моим методом, можно применять всегда. Хотя мой метод я
отнёс к приближённым алгоритмам, он фактически является точным, так как
доказать обратное ещё не удалось.

1.3 Практическое применение задачи коммивояжера

Кроме очевидного применения ЗК на практике, существует ещё ряд задач, сводимых к решению ЗК.
Задача о производстве красок. Имеется производственная линия для производства n красок разного цвета; обозначим эти краски номерами 1,2… n. Всю производственную линию будем считать одним процессором.. Будем считать
также, что единовременно процессор производит только одну краску, поэтому краски нужно производить в некотором порядке Поскольку производство циклическое, то краски надо производить в циклическом порядке (=(j1,j2,..,jn,j1). После окончания производства краски i и перед началом производства краски j надо отмыть оборудование от краски i. Для этого
требуется время C. Очевидно, что C зависит как от i, так и от j, и что, вообще говоря,C?C. При некотором выбранном порядке придется на цикл производства красок потратить время
Где tk - чистое время производства k-ой краски (не считая переналадок). Однако вторая сумма в правой части постоянна, поэтому полное время на цикл производства минимизируется вместе с общим временем на переналадку.
Таким образом, ЗК и задача о минимизации времени переналадки – это просто одна задача, только варианты ее описаны разными словами. Задача о дыропробивном прессе. Дыропробивной пресс производит большое число одинаковых панелей – металлических листов, в которых последовательно по одному пробиваются отверстия разной формы и величины. Схематически пресс можно представить в виде стола, двигающегося независимо по координатам x, y, и вращающегося над столом диска, по периметру которого расположены дыропробивные инструменты разной формы и величины. Каждый инструмент присутствует в одном экземпляре. Диск может вращаться одинаково в двух направлениях (координата вращения z). Имеется собственно пресс, который надавливает на подвешенный под него инструмент тогда, когда под инструмент
подведена нужная точка листа. Операция пробивки j-того отверстия характеризуется четверкой чисел (xj,yj,zj,tj), где xj,yj- координаты нужного положения стола, zj - координата нужного положения диска и tj - время пробивки j-того отверстия.
Производство панелей носит циклический характер: в начале и конце обработки каждого листа стол должен находиться в положениях (x0, y0) диск в положении z0 причем в этом положении отверстие не пробивается. Это начальное состояние системы можно считать пробивкой фиктивного нулевого отверстия. С параметрами (x0,y0,z0,0). Чтобы пробить j-тое отверстие непосредственно после i-того необходимо произвести следующие действия:
1. Переместить стол по оси x из положения xi в положение xj, затрачивая
при этом время t(x)(|xi-xj|)=ti,j(x)
2. Проделать то же самое по оси y, затратив время ti,j(y)
3. Повернуть головку по кратчайшей из двух дуг из положения zi в положение zj, затратив время ti,j(z) .
4. Пробить j-тое отверстие, затратив время tj. Конкретный вид функций t(x), t(y), t(z) зависит от механических
свойств пресса и достаточно громоздок. Явно выписывать эти функции нет необходимости. Действия 1-3 (переналадка с i-того отверстия j-тое) происходит одновременно, и пробивка происходит немедленно после завершения самого длительного из этих действий. Поэтому С = max(t(x), t(y), t(z)) Теперь, как и в предыдущем случае, задача составления оптимальной
программы для дыропробивного пресса сводится к ЗК (здесь - симметричной).

Выводы

1. Изучены эвристический, приближенный и точный алгоритмы решения ЗК.
Точные алгоритмы решения ЗК – это полный перебор или
усовершенствованный перебор. Оба они, особенно первый, не эффективны
при большом числе вершин графа.
2. Предложен собственный эффективный метод решения ЗК на основе
построения выпуклого многоугольника и включения в него центральных
вершин (городов).
3. Проведён анализ наиболее рациональных методов решения ЗК и определены
области их эффективного действия: для малого числа вершин можно
использовать точный метод лексического перебора; для большого числа
вершин рациональнее применять метод ветвей и границ или метод автора
работы (Анищенко Сергея Александровича).
4. Изучены практические применения ЗК и задачи с переналадками, сводимые
к ЗК.
5. Приведены тексты программ, позволяющие решить ЗК различными методами.

LMatrix: На нашем сайте Вы можете познакомиться с решением задачи коммивояжера (TSP) для различных стран мира.

(5х5) (Засчитывается за 4 условные задачи) время на исполнение 2 пары) (Презентация КОММИВОЯЖЁР) Самая сложная задача исследования операций

Методом ветвей и границ требуется найти Кратчайший маршрут объезда 5 городов с возвратом в исходный, при КОТОРОМ КАЖДЫЙ ГОРОД ПОСЕЩАЕТСЯ в ТОЧНОСТИ 1 раз (в матрице даны цены проезда из «левого» города в «верхний»).

Решение Методом ветвей и границ

Шаг №0 Оцениваем цикл 1-2-3-4-5-1 – это первое приближение верхней оценки. Далее, если на любой ветви дерева ветвления нижняя оценка подмножества решений окажется выше верхней эта ветвь «отмирает» , т.к. все её решения хуже уже имеющегося.

Шаг №1а) Выписываем константы редуцирования по строкам. Это минимальные числа в строках. Их надо вычесть из элементов своих строк (при этом появится не менее одного нуля в каждой строке).

Шаг №1б) В только что полученной на шаге 1а) матрице (с нулями в строках) ровно ту же операцию проводи и по столбцам - ищем столбцы, где минимум е равен 0 и вычитаем его. В формате самопроверки убедитесь, что теперь в каждом столбце и каждой строке матрицы стоимостей проезда имеется хотя бы один ноль.

Шаг №1в) Вычисляем сумму констант редуцирования полученных на шагах а) и б). Очевидно, никакой маршрут не может стоить дешевле – поэтому это оценка снизу. Далее мы будем увеличивать эту оценку на величину и
(эти величины опишем ниже), где- пара индексов ребра, по которому выбрано производить ветвление.

Опишем, как будет происходить ветвление: выбираем ребро i,j(удовлетворяющее требованиям следующего пункта) множество гамильтоновых маршрутов можно мыслить как комбинаторно большое множество своеобразных «бус» составленных из звеньев типа Петербург-Москва, Москва-Одесса, Одесса-Белград и т.д. Примем способ разделить всё множество замкнутых путей на те, где есть дорога Одесса-Белград и те где её нет (первое множество меньше второго).

Теоретически можно производить ветвление по любому ребру, но наша задача в том, чтобы на одном множестве нижняя оценка цены маршрута не изменилась, а на другом максимально выросла – это может способствовать тому, что в большинстве случаев комбинаторный перебор, вообще говоря, экспоненциального алгоритма решения NPполной задачи окажется не слишком большой.

Для этого: Шаг №2. Вычисляем стоимости обхода для каждого нулевого элемента (если он превратился в бесконечность ∞) - величина на которую увеличиваются константы редуцирования соответствующей строки и столбца.

Разбиваем текущее множество решений на два:




1. Процесс отчасти заканчивается после выбора k-2 ребер, гдеkобщее число вершин. В задаче 2х2 решение однозначно, оно (обычно) приводит к коррекции верхней оценки. Если все (остальные) нижние оценки хуже, ответ получен. В таком примере как приведенный в этом задании как правило имеет место эта ситуация, но в более большом и сложном графе (при создании универсального алгоритма), требуется описать дальнейшие действия. Если всё ещё не все нижние оценки хуже чем скорректированная верхняя оценка, то выжившие нетривиальные множества придется ветвить до тех пор пока либо они не исчезнут из-за высокой, т.е. плохой нижней оценки, либо (что редко) до того как будет получена новая верхняя оценка - новое решение, превосходящее по качеству предыдущее. Процесс продолжается до тех пор, пока полученное решение не останется безальтернативным.

Рассмотрим матрицу стоимостей проезда из «левого» города в «верхний»

Начальная глобальная оценка Zверхняя=10+10+20+15+10 = 65 получим по циклу. (соответствующие рёбра, обведены квадратами на рисунке - одно в левом нижнем углу, остальные над диагональю).

Начинаем рисовать дерево ветвления

В полученной матрице

рассчитаем дополнительную цену «объезда» каждого отдельного нуля  (то есть, на сколько возрастёт сумма констант редуцирования, если дорога перестанет существовать (цена проезда будет заменена на бесконечность)) и выберем, тот «ноль», цена объездакоторого максимальна.

(1,2)=0

(1,5)=1

(2,1)=0

 (2,3)=5 (Максимальная  )

(3,1)=0

(3,4)=2

(4,2)=4

(5,2)=2

Итак, максимальная цена объезда  наблюдается при выключении ребра (2,3)=5.

Нашим алгоритмом, естественно разделить все циклы объезда на содержащие ребро (2,3) и не содержащие его. Нижняя оценка стоимости первой группы циклов (мы её посчитаем позже), скорее всего не изменится, нижняя оценка циклов не включающих (2,3) возрастает на величину (2,3)=5.

На отдельной странице начинаем вырисовывать дерево ветвления.

На начальном этапе оно содержит множество всех циклов, которое разбивается на множество содержащее (2,3) (их меньше)– слева и не содержащее (2,3) – справа.

Нижняя оценка (большего) правого множества получается суммой оценки предшествующей вершины Z min =58 и(2,3)=5:Z min =58+5=63.

В левом множестве ребро (2,3) (условно говоря путь Санкт-Петербург - Москва) является обязательным – соответственно мы более не имеем выбора куда поехать из города 2 (удалим строку 2) и как приехать в город №3 (удалим столбец).

Итоговое дерево ветвления:

Финал метода.

Получается матрица размера 2х2.

Маломерный пример.

В заключении рассмотрим матрицу 3х3.

Тогда верхняя граница длин всех маршрутов Z max = 4+9+8 = 21

Таким образом, нижняя оценка Z нижн =16 (6+3+4+3).

Оцениваем константы обхода:

объединим города 2 и 1 в левой ветке, в правой ветке нижняя оценка стоимости возрастёт с 16 на 5 до 21.

получаем матрицу

Запретим короткое замыкание - во избежание

и редуцируем матрицу

На левой ветке ΔZ_=4, новая оценка целевой функции Z_=16+ ΔZ_=16+4=20.

Выбрано ребро

Остались рёбра
.

По принципу домино восстанавливаем минимальный цикл начиная с ребра начинающегося с 1, у на с это ребро
, как бы идущего "паровозиком".

Это конкретный путь длина 20 в этот момент мы получаем новую верхнюю оценку, что лучше старой верхней оценки 21.

На дереве ветвления множеств перебора исчезает ветвь с более высокой нижней оценкой 21 (правая ветвь).

В нашем случае полученный вариант оказался лучше всех нижних оценок по другим ветвям.

Ответ:
.

Проверка

Презентация КОММИВОЯЖЁР.

Задача проверяется преподавателем по оформлению дерева ветвления. Чтобы на нём была представлена максимально полная необходимая для проверки информация в вершинах дерева отобразить нижние оценки целевых функций, на рёбрах дерева обязательно должны быть отображены все θ (рост суммы констант редуцирования на правом повороте), все ΔZ(рост суммы констант редуцирования при левом повороте). При левом повороте выбирается одно обязательное ребро (отмечается на дереве ветвления) и добавляется одно запрещённое ребро. Для объяснения его выбора рядом с деревом ветвления на соответствующем уровне должна быть изображена цепочка в которой запрещаемое ребро вкупе с ранее выбранными (включая сейчас выбранное) порождает цикл не проходящий через все рёбра (так называемое «короткое замыкание» цикла).

В ответе дается цепочка Рёбер вида (1,k)(k,l)(l,m)..(r,1)(по размеру задачи), стоимость маршрута состоит из начальной нижней оценки и её приращений ΔZ(если были только ВЫЧЁРКИВАНИЯ – левые ПОВОРОТЫ) и – что бывает очень редко - ΔZи θ, если КРОМЕ левых ПОВОРОТОВ присутствовали один или несколько правых поворотов. Провести проверку стоимости ПОЛУЧЕНОГО решения по исходной матрице, объяснить причины несовпадения – если имелись (не совпадений быть не должно).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 . Описание метода ветвей и границ

В основе метода ветвей и границ лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений на подмножества. На каждом шаге метода элементы разбиения подвергаются проверке для выяснения, содержит данное подмножество оптимальное решение или нет. Проверка осуществляется посредством вычисления оценки снизу для целевой функции на данном подмножестве. Если оценка снизу не меньше рекорда - наилучшего из найденных решений, то подмножество может быть отброшено. Проверяемое подмножество может быть отброшено еще и в том случае, когда в нем удается найти наилучшее решение. Если значение целевой функции на найденном решении меньше рекорда, то происходит смена рекорда. По окончанию работы алгоритма рекорд является результатом его работы.

Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд - оптимальное решение задачи. В противном случае, из неотброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с наименьшим значением нижней оценки), и оно подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т.д.

При применении метода ветвей и границ к каждой конкретной задаче в первую очередь должны быть определены две важнейшие его процедуры: 1) ветвления множества возможных решений; 2) вычисления нижних и верхних оценок целевой функции.

1 . 1 Правила ветвления

В зависимости от особенностей задачи для организации ветвления обычно используется один из двух способов:

1. ветвление множества допустимых решений исходной задачи D;

2. ветвление множества D" получаемого из D путем снятия условия целочисленноти на переменные.

Первый способ ветвления обычно применяется для задач целочисленного программирования и заключается в выделении подобластей возможных решений путем фиксации значений отдельных компонент целочисленных оптимизационных переменных (рис. 1). На рис. 1-а дана геометрическая интерпретация области допустимых решений задачи целочисленного программирования, определяемой двумя линейными ограничениями и условиями неотрицательности переменных, и образующихся при ветвлении подобластей, а на рис. 1-б показана соответствующая схема ветвления.

Второй способ ветвления - более универсальный, чем первый. Для осуществления ветвления некоторой области D i " этим способом на D i " решается оптимизационная задача с целевой функцией исходной задачи и действительными переменными.

Ветвление осуществляется, если в оптимальном решении значение хотя бы одной целочисленной по исходной постановке задача переменной не является целочисленным. Среди этих переменных выбирается одна, например j - я. Обозначим ее значение в найденном оптимальном решении x 0 [j]. Говорят, что ветвление осуществляется по переменной x[j]. Область D i " разделяется на две подобласти D i1 " и D i2 " следующим образом:

где ] - целая часть значения x 0 [j]

На рис. 2 условно дана геометрическая интерпретация такого ветвления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Геометрическая интерпретация ветвления

Видно, что при этом из области D i " удаляется часть между плоскостями вновь введенных ограничений. Так как переменная x[j] по условиям области допустимых решений исходной задачи - целочисленная, то из подобласти допустимых решений исходной задачи. D i (D i D i ") при таком изъятии не исключается ни одного решения.

1 . 2 Формирование нижних и верхних оценок целевой функции

Прежде чем начать обсуждение данного вопроса, необходимо сказать, что общепринятым является применение метода ветвей и границ для задачи, в которой направление оптимизации приведено к виду минимизации. Для компактности дальнейших обозначений и выкладок запишем задачу дискретного программирования, для которой будем применять метод ветвей и границ, в следующей обобщенной форме:

где х - вектор оптимизационных переменных, среди которых часть действительных, а часть целочисленных; f(x) - в общем случае нелинейная целевая функция; D - область допустимых решений задачи дискретного программирования общего вида.

Нижние оценки целевой дикции в зависимости от выбранного способа ветвления могут определяться либо для подобластей D i D либо для подобластей D i " D" (D i " и D" получены из соответствующих множеств D i и D путем снятия условий целочисленности на дискретные переменные).

Нижней оценкой целевой функции f(x) на множестве D i (или D i ") будем называть величину:

Вычисление нижних оценок в каждом конкретном случае может осуществляться с учетом особенностей решаемой задачи. При этом чтобы оценки наиболее эффективно, выполняли свою функцию, они должны быть как можно большими, т.е. быть как можно ближе к действительным значениям min f(x). Это необходимо в первую очередь для того, чтобы нижние оценки как можно точнее отражали действительное соотношение min f(x) на образовавшихся при ветвлении подмножествах и позволяли более точно определять направление дальнейшего поиска оптимального решения исходной задачи.

На рис. 3 показан такой идеальный случай, когда нижние оценки (соединены ломаной штрихпунктирной линией) правильно отражают соотношения между действительными минимальными значениями f(x) (соединены штриховой линией) для четырех подмножеств допустимых решений D 1 , D 2 , D 3 , D 4 .

Один из универсальных способов вычисления нижних оценок заключается в решении следующей задачи:

Определенная таким образом о i является нижней оценкой f(x) на D i (или D i "), так как D i D i ".

Если при решении задачи (4) установлено, что, то для общности будем полагать, что.

Необходимо отметить одно важное свойство нижних оценок, заключающееся в том, что их значения для образовавшихся при ветвлении подмножеств не могут быть меньше нижней оценки целевой функции на множестве, подвергавшемся ветвлению.

Совместно с нижней оценкой в методе ветвей и границ используются верхние оценки f(x). Как правило, вычисляют лишь одно значение верхней оценки, которую определяют как значение целевой функции для лучшего найденного допустимого решения исходной задачи. Такую верхнюю оценку иногда называют рекордом. Если же можно для решаемой задачи достаточно просто и точно получить верхние оценки f(x) для отдельных множеств, образующихся при ветвлении, то их необходимо использовать в методе для уменьшения вычислительной сложности процесса решения. При использовании единой верхней оценки ее первоначальное значение обычно полагают равным бесконечности (), если, конечно, из априорных соображений не известно ни одного допустимого решения исходной задачи. При нахождении первого допустимого решения:

Затем при определении более лучшего допустимого решения верхнюю оценку корректируют:

Таким образом, значение верхней оценки может лишь уменьшаться в процессе решения задачи.

1 .3 Алгоритм метода ветвей и границ

Основные правила алгоритма могут быть сформулированы следующим образом:

1. Ветвлению в первую очередь подвергается подмножество с номером, которому соответствует наименьшее значение нижней оценки целевой функции (I - это множество номеров всех подмножеств, (или), находящихся на концах ветвей и ветвление которых еще не прекращено). Если реализуется изложенный выше способ ветвления множеств, то может возникнуть неоднозначность относительно выбора компоненты, по которой необходимо осуществлять очередной шаг ветвления. К сожалению, вопрос о «наилучшем» способе такого выбора с общих позиций пока не решен, и поэтому в конкретных задачах используются некоторые эвристические правила.

2. Если для некоторого i-го подмножества выполняется условие, то ветвление его необходимо прекратить, так как потенциальные возможности нахождения хорошего решения в этом подмножестве (их характеризует) оказываются хуже, чем значение целевой функции для реального, найденного к данному моменту времени, допустимого решения исходной задачи (оно характеризует).

3. Ветвление подмножества прекращается, если найденное в задаче (4) оптимальное решение. Обосновывается это тем, что, и, следовательно, лучшего допустимого решения, чем в этом подмножестве не существует. В этом случае рассматривается возможность корректировки.

4. Если, где, то выполняются условия оптимальности для найденного к этому моменту лучшего допустимого решения. Обоснование такое же, как и пункта 2 настоящих правил.

5. После нахождения хотя бы одного допустимого решения исходной задачи может быть рассмотрена возможность остановки работы алгоритма с оценкой близости лучшего из полученных допустимых решений к оптимальному (по значению целевой функции):

1 .4 Решение задачи методом ветвей и границ

Первоначально находим симплексным методом или методом искусственного базиса оптимальный план задачи без учета целочисленности переменных.

Если среди компонент этого плана нет дробных чисел, то тем самым найдено искомое решение данной задачи.

Если среди компонент плана имеются дробные числа, то необходимо осуществить переход к новым планам, пока не будет найдено решение задачи.

Метод ветвей и границ основан на предположении, что наш оптимальный нецелочисленный план дает значение функции, большее, чем всякий последующий план перехода.

Пусть переменная в плане - дробное число. Тогда в оптимальном плане ее значение будет по крайней мере либо меньше или равно ближайшему меньшему целому числу, либо больше или равно ближайшему большему целому числу.

Определяя эти числа, находим симплексным методом решение двух задач линейного программирования

Возможны четыре случая при решении этой пары задач:

Одна из задач неразрешима, а другая имеет целочисленный оптимальный план. Тогда этот план и значение целевой функции дают решение исходной задачи.

Одна из задач неразрешима, а другая имеет нецелочисленный оптимальный план. Тогда рассматриваем вторую задачу и в ее оптимальном плане выбираем одну из компонент, значение которой равно дробному числу и строим две задачи, аналогичные предыдущим.

Обе задачи разрешимы. Одна из задач имеет оптимальный целочисленный план, а в оптимальном плане другой задачи есть дробные числа. Тогда вычисляем значения целевой функции от планов и сравниваем их между собой. Если на целочисленном оптимальном плане значение целевой функции больше или равно ее значению на плане, среди компонент которого есть дробные числа, то данный целочисленный план является оптимальным для исходной задачи и дает искомое решение.

Обе задачи разрешимы, и среди оптимальных планов обеих задач есть дробные числа. Тогда рассматриваем ту из задач, для которой значение целевой функции является наибольшим. И строим две задачи.

Таким образом, при решении задачи получаем схему:

Находим решение задачи линейного программирования без учета целочисленности.

Составляет дополнительные ограничения на дробную компоненту плана.

Находим решение двух задач с ограничениями на компоненту.

Строим в случае необходимости дополнительные ограничения, согласно возможным четырем случаям получаем оптимальный целочисленный план либо устанавливаем неразрешимость задачи.

Найдем решение задачи

Решение. Находим решение без учет целочисленности задачи симплексным методом.

Рассмотрим следующую пару задач:

Первая задача имеет оптимальный план

вторая - неразрешима.

Проверяем на целочисленность план первой задачи. Это условие не выполняется, поэтому строим следующие задачи:

Задача 1.1

Задача 1.2

Задача 1.2 неразрешима, а задача №1.1 имеет оптимальный план, на котором значение целевой функции.

В результате получили, что исходная задача целочисленного программирования имеет оптимальный план и.

2. Решение задачи коммивояжера методом ветвей и границ

Рассмотрим теперь класс прикладных задач оптимизации. Метод ветвей и границ используется в очень многих из них. Предлагается рассмотреть одну из самых популярных задач - задача коммивояжера. Вот ее формулировка. Имеется несколько городов, соединенных некоторым образом дорогами с известной длиной; требуется установить, имеется ли путь, двигаясь по которому можно побывать в каждом городе только один раз и при этом вернуться в город, откуда путь был начат («обход коммивояжера»), и, если таковой путь имеется, установить кратчайший из таких путей.

2.1 Постановка задачи

Формализуем условие в терминах теории графов. Города будут вершинами графа, а дороги между городами - ориентированными (направленными) ребрами графа, на каждом из которых задана весовая функция: вес ребра - это длина соответствующей дороги. Путь, который требуется найти, это - ориентированный остовный простой цикл минимального веса в орграфе (напомним: цикл называется остовным, если он проходит по всем вершинам графа; цикл называется простым, если он проходит по каждой своей вершине только один раз; цикл называется ориентированным, если начало каждого последующего ребра совпадает с концом предыдущего; вес цикла - это сумма весов его ребер; наконец, орграф называется полным, если в нем имеются все возможные ребра); такие циклы называются также гамильтоновыми.

Очевидно, в полном орграфе циклы указанного выше типа есть. Заметим, что вопрос о наличии в орграфе гамильтонова цикла достаточно рассмотреть как частный случай задачи о коммивояжере для полных орграфов. Действительно, если данный орграф не является полным, то его можно дополнить до полного недостающими ребрами и каждому из добавленных ребер приписать вес Ґ, считая, что Ґ - это «компьютерная бесконечность», т.е. максимальное из всех возможных в рассмотрениях чисел. Если во вновь построенном полном орграфе найти теперь легчайший гамильтонов цикл, то при наличии у него ребер с весом Ґ можно будет говорить, что в данном, исходном графе «цикла коммивояжера» нет. Если же в полном орграфе легчайший гамильтонов цикл окажется конечным по весу, то он и будет искомым циклом в исходном графе.

Отсюда следует, что задачу о коммивояжере достаточно решить для полных орграфов с весовой функцией. Сформулируем теперь это в окончательном виде:

пусть - полный ориентированный граф и - весовая функция; найти простой остовный ориентированный цикл («цикл коммивояжера») минимального веса.

Пусть конкретный состав множества вершин и - весовая матрица данного орграфа, т.е. , причем для любого.

Рассмотрение метода ветвей и границ для решения задачи о коммивояжере удобнее всего проводить на фоне конкретного примера. Пользуясь введенными здесь обозначениями, мы проводим это описание в следующей лекции.

Введем некоторые термины. Пусть имеется некоторая числовая матрица. Привести строку этой матрицы означает выделить в строке минимальный элемент (его называют константой приведения) и вычесть его из всех элементов этой строки. Очевидно, в результате в этой строке на месте минимального элемента окажется ноль, а все остальные элементы будут неотрицательными. Аналогичный смысл имеют слова привести столбец матрицы.

Слова привести матрицу по строкам означают, что все строки матрицы приводятся. Аналогичный смысл имеют слова привести матрицу по столбцам.

Наконец, слова привести матрицу означают, что матрица сначала приводится по строкам, а потом приводится по столбцам.

Весом элемента матрицы называют сумму констант приведения матрицы, которая получается из данной матрицы заменой обсуждаемого элемента на Ґ. Следовательно, слова самый тяжелый нуль в матрице означают, что в матрице подсчитан вес каждого нуля, а затем фиксирован нуль с максимальным весом.

Приступим теперь к описанию метода ветвей и границ для решения задачи о коммивояжере.

Первый шаг. Фиксируем множество всех обходов коммивояжера (т.е. всех простых ориентированных остовных циклов). Поскольку граф - полный, это множество заведомо не пусто. Сопоставим ему число, которое будет играть роль значения на этом множестве оценочной функции: это число равно сумме констант приведения данной матрицы весов ребер графа. Если множество всех обходов коммивояжера обозначить через G, то сумму констант приведения матрицы весов обозначим через j(G). Приведенную матрицу весов данного графа следует запомнить; обозначим ее через M 1 ; таким образом, итог первого шага:

множеству G всех обходов коммивояжера сопоставлено чис-ло j(G) и матрица M 1 .

Второй шаг. Выберем в матрице M 1 самый тяжелый нуль; пусть он стоит в клетке; фиксируем ребро графа и разделим множество G на две части: на часть, состоящую из обходов, которые проходят через ребро, и на часть, состоящую из обходов, которые не проходят через ребро.

Сопоставим множеству следующую матрицу M 1,1: в матрице M 1 заменим на Ґ число в клетке. Затем в полученной матрице вычеркнем строку номер i и столбец номер j, причем у оставшихся строк и столбцов сохраним их исходные номера. Наконец, приведем эту последнюю матрицу и запомним сумму констант приведения. Полученная приведенная матрица и будет матрицей M 1,1 ; только что запомненную сумму констант приведения прибавим к j(G) и результат, обозначаемый в дальнейшем через j(), сопоставим множеству.

Теперь множеству тоже сопоставим некую матрицу M 1,2 . Для этого в матрице M 1 заменим на Ґ число в клетке и полученную в результате матрицу приведем. Сумму констант приведения запомним, а полученную матрицу обозначим через M 1,2 . Прибавим запомненную сумму констант приведения к числу j(G) и полученное число, обозначаемое в дальнейшем через j(), сопоставим множеству.

Теперь выберем между множествами и то, на котором минимальна функция j (т.е. то из множеств, которому соответствует меньшее из чисел j() и j()).

Заметим теперь, что в проведенных рассуждениях использовался в качестве исходного только один фактический объект - приведенная матрица весов данного орграфа. По ней было выделено определенное ребро графа и были построены новые матрицы, к которым, конечно, можно все то же самое применить.

При каждом таком повторном применении будет фиксироваться очередное ребро графа. Условимся о следующем действии: перед тем, как в очередной матрице вычеркнуть строку и столбец, в ней надо заменить на Ґ числа во всех тех клетках, которые соответствуют ребрам, заведомо не принадлежащим тем гамильтоновым циклам, которые проходят через уже отобранные ранее ребра.

К выбранному множеству с сопоставленными ему матрицей и числом j повторим все то же самое и так далее, пока это возможно.

Доказывается, что в результате получится множество, состоящее из единственного обхода коммивояжера, вес которого равен очередному значению функции j; таким образом, оказываются выполненными все условия, обсуждавшиеся при описании метода ветвей и границ.

После этого осуществляется улучшение рекорда вплоть до получения окончательного ответа.

2.2 Условие задачи

Студенту Иванову поручили разнести некоторые важные документы из 12-ого корпуса. Но, как назло, у него на это очень мало времени, да и еще надо вернуться обратно. Нужно найти кротчайший путь. Расстояния между объектами даны в таблице

2.3 Математическая модель задачи

Для решения задачи присвоим каждому пункту маршрута определенный номер: 12-ый корпус - 1, Белый дом - 2, КРК «Премьер» - 3, Администрация - 4 и 5-ый корпус - 5. Соответственно общее количество пунктов. Далее введем альтернативных переменных, принимающих значение 0, если переход из i-того пункта в j-тый не входит в маршрут и 1 в противном случае. Условия прибытия в каждый пункт и выхода из каждого пункта только по одному разу выражаются равенствами (8) и (9).

Для обеспечения непрерывности маршрута вводятся дополнительно n переменных и дополнительных ограничений (10).

Суммарная протяженность маршрута F , которую необходимо минимизировать, запишется в следующем виде:

В нашем случае эти условия запишутся в следующем виде:

2.4 Решение задачи методом ветвей и границ

1) Анализ множества D.

Найдем оценку снизу Н . Для этого определяем матрицу минимальных расстояний по строкам (1 где расстояние минимально в строке).

Аналогично определяем матрицу минимальных расстояний по столбцам.

Выберем начальный план: . Тогда верхняя оценка:

Очевидно, что, где означает переход из первого пункта в j-тый. Рассмотрим эти подмножества по порядку.

2) Анализ подмножества D 12 .

3) Анализ подмножества D 13 .

4) Анализ подмножества D 14 .

5) Анализ подмножества D 15 .

6) Отсев неперспективных подмножеств.

Подмножества D 13 и D 15 неперспективные. Т.к. , но, то далее будем рассматривать подмножество D 14 .

7) Анализ подмножества D 142 .

8) Анализ подмножества D 143 .

9) Анализ подмножества D 145 .

10) Отсев неперспективных подмножеств

Подмножество D 143 неперспективное. Т.к. , но, то далее будем рассматривать подмножество D 145 .

11) Анализ подмножества D 1452 .

ветвь граница целевой алгоритм

12) Анализ подмножества D 1453 .

Оптимальное решение: .

Таким образом, маршрут студента: 12-ый корпус - Администрация - 5-ый корпус - Белый дом - КРК Премьер - 12-ый корпус.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Список использованной литературы

1. Абрамов Л.А., Капустин В.Ф. Математическое программирование. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1981. -328 с.

2. Алексеев О.Г. Комплексное применение методов дискретной оптимизации. - М.: Наука, 1987. -294 с.

3. Корбут А.А., Финкелгейн Ю.Ю. Дискретное программирование. М.: Наука. 1969. -240 с

4. Кузнецов Ю.Н. и др. Математическое программирование: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Высшая школа, 1980. -300 с.

5. Пападимитриу Х., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность. - М.: Мир, 1985. -213 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Постановка и решение дискретных оптимизационных задач методом дискретного программирования и методом ветвей и границ на примере классической задачи коммивояжера. Этапы построения алгоритма ветвей и границ и его эффективность, построение дерева графов.

курсовая работа , добавлен 08.11.2009


Постановка задачи о коммивояжере. Нахождение оптимального решения с применением метода ветвей и границ. Основной принцип этого метода, порядок его применения. Использование метода верхних оценок в процедуре построения дерева возможных вариантов.

курсовая работа , добавлен 01.10.2009


Особенности метода ветвей и границ как одного из распространенных методов решения целочисленных задач. Декомпозиция задачи линейного программирования в алгоритме метода ветвей и границ. Графический, симплекс-метод решения задач линейного программирования.

курсовая работа , добавлен 05.03.2012


Моделирование передвижения муравьев. Метод ветвей и границ, ближайшего соседа. Ограничения, накладываемые на агента в стандартной постановке задачи коммивояжера. Использование графа видимости в алгоритме муравья. Структура данных алгоритма муравья.

дипломная работа , добавлен 07.02.2013


Методы ветвей и границ первого и второго порядка. Оптимальный и пассивный поиск. Недостатки метода Ньютона. Метод золотого сечения. Примеры унимодальных функций. Динамическое и линейное программирование. Метод Жордана-Гаусса. Решение задачи коммивояжера.

курсовая работа , добавлен 20.07.2012


Сущность теории графов и сетевого моделирования. Выбор оптимального пути и стоимости переезда коммивояжера с помощью метода ветвей и границ. Разработка программы выбора самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу.

курсовая работа , добавлен 08.08.2013


Оптимизация решения задачи с помощью алгоритма отжига. Анализ теории оптимизации как целевой функции. Метод градиентного спуска. Переменные и описание алгоритма отжига. Представление задачи коммивояжера через граф. Сведение задачи к переменным и решение.

курсовая работа , добавлен 21.05.2015


Постановка линейной целочисленной задачи. Метод отсекающих плоскостей. Дробный алгоритм решения полностью целочисленных задач. Эффективность отсечения Гомори. Сравнение вычислительных возможностей метода отсекающих плоскостей и метода ветвей и границ.

курсовая работа , добавлен 25.11.2011


Задача о ранце как задача комбинаторной оптимизации. Задача о загрузке, рюкзаке, ранце. Постановка и NP-полнота задачи. Классификация методов решения задачи о рюкзаке. Динамическое программирование. Метод ветвей и границ. Сравнительный анализ методов.

курсовая работа , добавлен 18.01.2011


Поиск верхних и нижних границ для оптимального значения на подобласти допустимых решений. Методы и проблемы решения задач нелинейного программирования. Написание и отладка программы. Создание программы для решения задачи "коммивояжёра" прямым алгоритмом.

Введение

1. Теоретическая часть 6

1.1 Основные понятия теории графов 6

1.2 Формулировка и некоторые свойства решений задачи коммивояжера. 8

1.3 Постановка задачи коммивояжера как задачи на графе 10

1.4 Условия существования Гамильтонова контура 10

1.5 Метод ветвей и границ…………………………………………………. 11

1.6 Практическое применение задачи коммивояжера…………………… 17

2. Практическая часть 20

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Теория принятия решений - область исследования, вовлекающая понятия и методы математики, экономики, менеджмента и психологии. Изучает закономерности выбора людьми путей решения разного рода задач, а также исследует способы поиска наиболее выгодных из возможных решений.

В курсовой работе рассмотрены некоторые методы решения задачи коммивояжера, алгоритмы решения.

Многие задачи, с которыми приходится иметь дело в повседневной практике, являются многовариантными. Среди множества возможных вариантов в условиях рыночных отношений приходится отыскивать наилучшие решения при ограничениях, налагаемых на природные, экономические и технологические возможности. В связи с этим возникла необходимость применять для анализа и синтеза экономических ситуаций и систем математические методы и современную вычислительную технику.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение задачи коммивояжера, способов её решения.

Рассмотрена задача коммивояжёра, а также приведён алгоритм метода ветвей и границ для решения задачи коммивояжёра.

Теоретическая часть

1.1 Основные понятия теории графов

Многие задачи принятие решений можно решить с помощью теории графов.

Графические представления – наглядные отображения исследуемой системы процесса или явления на плоскость: рисунки, чертежи, схемы и блок-схемы, диаграммы, графы. На языке теории графов формируются и решаются многие технические задачи, задачи из области экономики, социологии, менеджмента и т.д. Графы используются для наглядного представления объектов и связи между ними.

Пусть G -неориентированный граф. Геометрически граф можно представить как набор вершин (точек), определенные пары которых соединены линиями. Например, сеть дорог, соединяющих города ,,,,, можно представить в виде графа следующим образом. Города обозначены точками (вершинами), а дороги – неориентированными линиями (рис 1.1).

рис 1.1 Сеть дорог между городами.

Неориентированные линии означают наличие двустороннего движения между соответствующей парой городов. Пересечения линий не считаются вершинами.

При изображении графа не имеет значение расположение вершин на плоскости, кривизна и длина ребер (рис 1.2).

рис 1.2 Изображение графов

Вершины графов обозначаются буквами или натуральными числами. Ребра графа – пары чисел.

Маршрутом в G называется такая конечная или бесконечная последовательность ребер, что каждые два соседних ребра имеют концевую точку. Причем, одно и то же ребро Е может встречаться в маршруте несколько раз.

Циклическим маршрутом называется такой маршрут, начальная и конечная точки которого совпадают.

Цепью называют маршрут, в котором каждое его ребро встречается не более одного раза; вершины в цепи могут повторяться не более одного раза. Любой участок цепи является цепью. Нециклическая цепь является простой цепью, если в ней никакая вершина не повторяется.

Граф называется сильно связным, если между каждой парой его вершин , , , существует путь () такой, что является начальной вершиной пути, а - конечной.

Граф называется связным, если между парой его вершин , , существует такая последовательность элементов (дуг или ребер, или же и дуг, и ребер), что любая соседних элементов в этой последовательности имеет общую вершину. Очевидно, что любой сильно связный граф является связным. Связный неориентированный граф называется деревом, если он не имеет циклов. В дереве любые две вершины связаны единственной цепью.

1.2 Формулировка и некоторые свойства решений задачи коммивояжера

Коммивояжер (бродячий торговец) должен выйти из первого города, посетить по разу в неизвестном порядке города 2,1,3.. n и вернуться в первый город. Расстояния между городами известны. В каком порядке следует обходить города, чтобы замкнутый путь (тур) коммивояжера был кратчайшим?

Чтобы привести задачу к научному виду, введём некоторые термины. Города перенумерованы числами j  Т=(1,2,3.. n ) . Тур коммивояжера может быть описан циклической перестановкой t =(j 1 , j 2 ,.., j n , j 1 ) , причём все j 1 .. j n – разные номера; повторяющийся в начале и в конце j 1 , показывает, что перестановка зациклена. Расстояния между парами вершин С ij образуют матрицу С . Задача состоит в том, чтобы найти такой тур t :

(1)

Относительно математизированной формулировки задачи коммивояжера уместно сделать два замечания.

1) В постановке С ij означали расстояния, поэтому они должны быть неотрицательными, т.е. для всех j  Т :

С ij  0; C jj = ∞ (2)

(последнее равенство означает запрет на петли в туре), симметричными, т.е. для всех i , j :

С ij = С ji (3)

и удовлетворять неравенству треугольника, т.е. для всех:

С ij + С jk  C ik (4)

В математической постановке говорится о произвольной матрице. Сделано это потому, что имеется много прикладных задач, которые описываются основной моделью, но всем условиям (2)-(4) не удовлетворяют. Особенно часто нарушается условие (3) (например, если С ij – не расстояние, а плата за проезд: часто туда билет стоит одну цену, а обратно – другую). Поэтому мы будем различать два варианта задачи коммивояжера: симметричную задачу, когда условие (3) выполнено, и несимметричную - в противном случае. Условия (2)-(4) по умолчанию мы будем считать выполненными.

2) В несимметричной задаче коммивояжера все туры t =(j 1 , j 2 ,.., j n , j 1 ) и t ’=(j 1 , j n ,.., j 2 , j 1 ) имеют разную длину и должны учитываться оба. Разных туров очевидно (n -1)! .

Зафиксируем на первом и последнем месте в циклической перестановке номер j 1 , а оставшиеся n -1 номеров переставим всеми (n -1)! возможными способами. В результате получим все несимметричные туры. Симметричных туров имеется в

два раза меньше, т.к. каждый засчитан два раза: как t и как t ’ . Можно представить, что С состоит только из единиц и нулей. Тогда С можно интерпретировать, как граф, где ребро (i , j ) проведено, если С ij =0 и не проведено, если С ij =1 . Тогда, если существует тур длины 0, то он пройдёт по циклу, который включает все вершины по одному разу. Такой цикл называется гамильтоновым циклом. Незамкнутый гамильтонов цикл называется гамильтоновой цепью (гамильтоновым путём).

В терминах теории графов симметричную задачу коммивояжера можно сформулировать так:

Дана полная сеть с n вершинами, длина ребра (i , j )= С ij . Найти гамильтонов цикл минимальной длины. В несимметричной задаче коммивояжера вместо «цикл» надо говорить «контур», а вместо «ребра» - «дуги» или «стрелки».

Некоторые прикладные задачи формулируются как задачи коммивояжера, но в них нужно минимизировать длину не гамильтонова цикла, а гамильтоновой цепи. Такие задачи называются незамкнутыми. Некоторые модели сводятся к задаче о нескольких коммивояжерах, но мы здесь их рассматривать не будем.

1.3 Постановка задачи коммивояжера как задачи на графе

Формулировка: Множество городов:
. Расстояние между городами i и j:
. П – множество перестановок элементов А, перестановка

Если городам поставить в соответствии вершины графа, а соединяющих их дорогам дуги, то в терминах теории графов задача заключается в определении гамильтонова контура минимальной длины. Гамильтоновым контуром называется путь, проходящий через все вершины графа, у которого начальная вершина совпадает с конечной. Здесь под длиной контура понимают не количество дуг, входящих в контур, а сумму их длин. Длина соответствующей дороги – вес ребра. Граф должен быть полным, т.е. в нем имеются все возможные ребра. Если же граф не является полным, то его можно дополнить недостающими ребрами с весом равным
.

1.4 Условия существования Гамильтонова контура

Последовательность (путь), который требуется найти – ориентированный остовный простой цикл минимального веса в орграфе; такие циклы также называют гамильтоновыми. Очевидно, что в полном орграфе циклы указанного выше типа есть. Заметим, что вопрос о наличии в орграфе гамильтонова цикла достаточно рассмотреть как частный случай задачи о коммивояжере для полных орграфов. Действительно, если данный орграф не является полным, то его можно дополнить до полного недостающими ребрами и каждому из добавленных ребер приписать вес - это «компьютерная бесконечность», т.е. максимальное из всех возможных в рассмотрениях чисел. Если во вновь построенном полном орграфе найти теперь легчайший гамильтонов цикл, то при наличии у него ребер с весом можно будет говорить, что в данном, исходном графе «цикла коммивояжера» нет. Если же в полном орграфе легчайший гамильтонов цикл окажется конечным по весу, то он и будет искомым циклом в исходном графе. Гамильтоновым контуром называется путь, проходящий через все вершины графа, у которого начальная вершина совпадает с конечной. Здесь под длиной контура понимают не количество дуг, входящих в контур, а сумму их длин.

Цикл Гамильтона.

Пусть G -граф. Циклом Гамильтона называется простой цикл, который содержит все вершины данного графа.

Теорема 1.

Для того, чтобы в графе существовал цикл Гамильтона, необходимо, чтобы этот граф был связным.

Теорема 2.

В полном графе , если n>=3, цикл Гамильтона есть в полном двудольном
при m>=1, цикл Гамильтона есть.

1.5 Метод ветвей и границ

Графом называется непустое конечное множество, состоящее из двух подмножеств и . Первое подмножество
(вершины) состоит из любого множества элементов. Второе подмножество (дуги) состоит из упорядоченных пар элементов первого подмножества
. Если вершины
и
такие, что
, то это вершины смежные.

Маршрутом в графе называется последовательность вершин
не обязательно попарно различных, где для любого
смежно с . Маршрут называется цепью, если все его ребра попарно различны. Если
то маршрут называется замкнутым. Замкнутая цепь называется циклом.

Постановка задачи

Коммивояжер должен объездить n городов. Для того чтобы сократить расходы, он хочет построить такой маршрут, чтобы объездить все города точно по одному разу и вернуться в исходный с минимумом затрат.

В терминах теории графов задачу можно сформулировать следующим образом. Задано n вершин и матрица {c ij }, где c ij ≥0 – длинна (или цена) дуги (i , j ),
. Под маршрутом коммивояжера z будем понимать цикл i 1 , i 2 ,…, i n , i 1 точек 1,2,…, n. Таким образом, маршрут является набором дуг. Если между городами i и j нет перехода, то в матрице ставится символ «бесконечность». Он обязательно ставится по диагонали, что означает запрет на возвращение в точку, через которую уже проходил маршрут коммивояжера , длина маршрута l (z ) равна сумме длин дуг, входящих в маршрут. Пусть Z – множество всех возможных маршрутов. Начальная вершина i 1 – фиксирована. Требуется найти маршрут z 0  Z , такой, что l (z 0)= min l (z ), z  Z .

Решение задачи

Основная идея метода ветвей и границ состоит в том, что вначале строят нижнюю границу φ длин множества маршрутов Z. Затем множество маршрутов разбивается на два подмножества таким образом, чтобы первое подмножество состояло из маршрутов, содержащих некоторую дугу (i, j), а другое подмножество не содержало этой дуги. Для каждого из подмножеств определяются нижние границы по тому же правилу, что и для первоначального множества маршрутов. Полученные нижние границы подмножеств и оказываются не меньше нижней границы множества всех маршрутов, т.е. φ(Z)≤ φ (), φ(Z) ≤ φ ().

Сравнивая нижние границы φ () и φ (), можно выделить то, подмножество маршрутов, которое с большей вероятностью содержит маршрут минимальной длины.

Затем одно из подмножеств или по аналогичному правилу разбивается на два новых и . Для них снова отыскиваются нижние границы φ (), и φ () и т.д. Процесс ветвления продолжается до тех пор, пока не отыщется единственный маршрут. Его называют первым рекордом. Затем просматривают оборванные ветви. Если их нижние границы больше длины первого рекорда, то задача решена. Если же есть такие, для которых нижние границы меньше, чем длина первого рекорда, то подмножество с наименьшей нижней границей подвергается дальнейшему ветвлению, пока не убеждаются, что оно не содержит лучшего маршрута .

Если же такой найдется, то анализ оборванных ветвей продолжается относительно нового значения длины маршрута. Его называют вторым рекордом. Процесс решения заканчивается, когда будут проанализированы все подмножества.

Для практической реализации метода ветвей и границ применительно к задаче коммивояжера укажем прием определения нижних границ подмножеств и разбиения множества маршрутов на подмножества (ветвление).

Для того чтобы найти нижнюю границу воспользуемся следующим соображением: если к элементам любого ряда матрицы задачи коммивояжера (строке или столбцу) прибавить или вычесть из них некоторое число, то от этого оптимальность плана не изменится. Длина же любого маршрутом коммивояжера изменится на данную величину.

Вычтем из каждой строки число, равное минимальному элементу этой строки. Вычтем из каждого столбца число, равное минимальному элементу этого столбца. Полученная матрица называется приведенной по строкам и столбцам. Сумма всех вычтенных чисел называется константой приведения.

Константу приведения следует выбирать в качестве нижней границы длины маршрутов.

Разбиение множества маршрутов на подмножества

Для выделения претендентов на включение во множество дуг, по которым производится ветвление, рассмотрим в приведенной матрице все элементы, равные нулю. Найдем степени Θ ij нулевых элементов этой матрицы. Степень нулевого элемента Θ ij равна сумме минимального элемента в строке i и минимального элемента в столбце j (при выборе этих минимумов c ij – не учитывается). С наибольшей вероятностью искомому маршруту принадлежат дуги с максимальной степенью нуля.

Для получения платежной матрицы маршрутов, включающей дугу (i , j ) вычеркиваем в матрице строку i и столбец j , а чтобы не допустить образования цикла в маршруте, заменяем элемент, замыкающий текущую цепочку на бесконечность.

Множество маршрутов, не включающих дугу (i , j ) получаем путем замены элемента c ij на бесконечность.

Пример решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ

Коммивояжер должен объездить 6 городов. Для того чтобы сократить расходы, он хочет построить такой маршрут, чтобы объездить все города точно по одному разу и вернуться в исходный с минимумом затрат. Исходный город A. Затраты на перемещение между городами заданы следующей матрицей:

Решение задачи

Для удобства изложения везде ниже в платежной матрице заменим имена городов (A, B, …, F) номерами соответствующих строк и столбцов (1, 2, …, 6).

Найдем нижнюю границу длин множества всех маршрутов. Вычтем из каждой строки число, равное минимальному элементу этой строки, далее вычтем из каждого столбца число, равное минимальному элементу этого столбца, и таким образом приведем матрицу по строкам и столбцам. Минимумы по строкам: r 1 =15, r 2 =1, r 3 =0, r 4 =16, r 5 =5, r 6 =5.

После их вычитания по строкам получим:

Минимумы по столбцам: h 1 =5, h 2 =h 3 =h 4 =h 5 =h 6 .

После их вычитания по столбцам получим приведенную матрицу:

Найдем нижнюю границу φ (Z ) = 15+1+0+16+5+5+5 = 47.

Для выделения претендентов на включение во множество дуг, по которым производится ветвление, найдем степени Θ ij нулевых элементов этой матрицы (суммы минимумов по строке и столбцу). Θ 14 = 10 + 0,
Θ 24 = 1 + 0, Θ 36 = 5+0, Θ 41 = 0 + 1, Θ 42 = 0 + 0, Θ 56 = 2 + 0, Θ 62 = 0 + 0,
Θ 63 = 0 + 9, Θ 65 = 0 + 2. Наибольшая степень Θ 14 = 10. Ветвление проводим по дуге (1, 4).

Нижняя граница для множества
остается равной 47. Для всех маршрутов множества из города A мы не перемещаемся в город D. В матрице это обозначается выставлением в ячейку (1, 4) знака ∞. В этом случае выход из города A добавляет к оценке нижней границы по крайней мере наименьший элемент первой строки. φ () = 47 + 10.

В матрице, соответствующей полагаем c 14 = ∞.

После проведения процедуры приведения с r 1 =10 получим новую нижнюю границу 57 + 10 = 67.

В матрице, соответствующей , вычеркиваем первую строку и четвертый столбец и положим c 41 = ∞, чтобы предотвратить появления цикла 1→ 4 → 1. Получим новую платежную матрицу {c 1 ij }:

Для приведения надо вычесть минимум по первому столбцу: h 1 =1. При этом нижняя граница станет равной 47+1 = 48. Сравнивая нижние границы
φ () = 67 и φ () = 48 < 67 выделяем подмножество маршрутов , которое с большей вероятностью содержит маршрут минимальной длины.

Рис. 1.4 Ветвление на первом шаге

Далее продолжаем процесс ветвления. Найдем степени Θ ij нулевых элементов этой матрицы Θ 21 =16, Θ 36 = 5, Θ 42 = 2, Θ 56 = 2, Θ 62 = 0, Θ 63 =9, Θ 65 = 2. Наибольшая степень Θ 21 . Затем множество разбивается дуге (2, 1) на два новых
и .

В матрице для вычеркиваем строку 2 и столбец 1. дуги (1, 4) и (2, 1) образуют связный путь (2, 1, 4), положим c 42 = ∞, чтобы предотвратить появления цикла 2→1→ 4 → 2.

Для приведения надо вычесть минимум по строке 4: r 4 =2. При этом нижняя граница станет равной 48+2 = 50.

Нижняя граница для , полученная как на предыдущем шаге ветвления, равна 48 + 16 = 64. Сравнивая нижние границы φ () = 64 и φ () = 50 < 64 выбираем для дальнейшего разбиения подмножество маршрутов .

Рис. 1.5 Ветвление на втором шаге

Приведенная платежная матрица для

Степени Θ ij нулевых элементов этой матрицы Θ 36 = 5, Θ 45 = 0, Θ 56 = 22, Θ 62 = 13, Θ 63 =7, Θ 65 = 0. Наибольшая степень Θ 56. Затем множество разбивается дуге (2, 1) на два новых и .

Нижняя граница для равна 50 + 22 = 72. В матрице для вычеркиваем строку 5 и столбец 6 и полагаем c 65 = ∞. Получим матрицу:

Для приведения надо вычесть минимум по строке 3: r 3 =5. При этом нижняя граница станет равной 50+5 = 55. Выбираем для дальнейшего разбиения подмножество маршрутов.

Рис. 1.6 Ветвление на третьем шаге

Приведенная платежная матрица для

Для приведения надо вычесть минимум по строке 4: r4=7. При этом нижняя граница станет равной 55+7 = 62. После приведения получим

Из матрицы 22 получаем два перехода с нулевой длинной: (4, 3) и (6, 2).

Рис. 1.7 Ветвление на четвертом шаге

Рис. 1.8 Дерево ветвления с оценками

Полученный маршрутом коммивояжера z 0 = (1, 4, 3, 5, 6, 2, 1) или (A-D-C-E-F-B-A).

1.6 Практическое применение задачи коммивояжера

Кроме очевидного применения задачи коммивояжера на практике, существует ещё ряд задач, сводимых к решению задачи коммивояжера.

Задача о производстве красок .

Имеется производственная линия для производства n красок разного цвета; обозначим эти краски номерами 1,2… n. Всю производственную линию будем считать одним процессором.. Будем считать также, что единовременно процессор производит только одну краску, поэтому краски нужно производить в некотором порядке Поскольку производство циклическое, то краски надо производить в циклическом порядке =(j 1 ,j 2 ,..,j n ,j 1). После окончания производства краски i и перед началом производства краски j надо отмыть оборудование от краски i. Для этого требуется время C. Очевидно, что C зависит как от i, так и от j, и что, вообще говоря,C≠C. При некотором выбранном порядке придется на цикл производства красок потратить время:

Где t k - чистое время производства k-ой краски (не считая переналадок). Однако вторая сумма в правой части постоянна, поэтому полное время на цикл производства минимизируется вместе с общим временем на переналадку.

Таким образом, задача коммивояжера и задача о минимизации времени переналадки – это просто одна задача, только варианты ее описаны разными словами.

Задача о дыропробивном прессе .

Дыропробивной пресс производит большое число одинаковых панелей – металлических листов, в которых последовательно по одному пробиваются отверстия разной формы и величины. Схематически пресс можно представить в виде стола, двигающегося независимо по координатам x, y, и вращающегося над столом диска, по периметру которого расположены дыропробивные инструменты разной формы и величины. Каждый инструмент присутствует в одном экземпляре. Диск может вращаться одинаково в двух направлениях (координата вращения z). Имеется собственно пресс, который надавливает на подвешенный под него инструмент тогда, когда под инструмент подведена нужная точка листа.

Операция пробивки j-того отверстия характеризуется четверкой чисел (x j ,y j ,z j ,t j), где x j ,y j - координаты нужного положения стола, z j - координата нужного положения диска и t j - время пробивки j-того отверстия.

Производство панелей носит циклический характер: в начале и конце обработки каждого листа стол должен находиться в положениях (x 0 , y 0) диск в положении z 0 причем в этом положении отверстие не пробивается. Это начальное состояние системы можно считать пробивкой фиктивного нулевого отверстия. С параметрами (x 0 ,y 0 ,z 0 ,0).

Чтобы пробить j-е отверстие непосредственно после i-того необходимо произвести следующие действия:

Переместить стол по оси x из положения x i в положение x j , затрачивая при этом время t (x) (|x i -x j |)=t i , j (x) .

Проделать то же самое по оси y, затратив время t i , j (y) .

Повернуть головку по кратчайшей из двух дуг из положения z i в положение z j , затратив время t i , j (z) .

Пробить j-тое отверстие, затратив время t j .

Конкретный вид функций t (x) , t (y) , t (z) зависит от механических свойств пресса и достаточно громоздок. Явно выписывать эти функции нет необходимости

Действия 1-3 (переналадка с i-того отверстия j-тое) происходит одновременно, и пробивка происходит немедленно после завершения самого длительного из этих действий. Поэтому

С = max(t (x) , t (y) , t (z))

Теперь, как и в предыдущем случае, задача составления оптимальной программы для дыропробивного пресса сводится к задаче коммивояжера (здесь - симметричной).

Практическая часть

Инвестор, располагающий суммой в 300 тысяч денежных единиц, может вложить свой капитал в акции автомобильного концерна А и строительного предприятия В. Чтобы уменьшить риск, акций А должно быть приобретено по крайней мере в два раза больше, чем акций В, причём последних можно купить не более чем на 100 тысяч денежных единиц. Дивиденды по акциям А составляют 8% в год, по акциям В – 10%. Какую максимальную прибыль можно получить в первый год?

Пусть цены на акции одинаковы для A и B и равны: ЦA = ЦB = 1 тыс.