22 декабря 2014 в 11:20

Решение задачи коммивояжера с помощью метода ветвей и границ

• PHP ,
• Алгоритмы

Здравствуй, Хабр! Реализовывая различные алгоритмы для нахождения гамильтонова цикла с наименьшей стоимостью, я наткнулся на , предлагающую свой вариант. Попробовав в деле, я получил неправильный ответ:

Дальнейшие поиски в Интернете не принесли ожидаемого результата: либо сложное для не-математиков теоретическое описание, либо понятное, но с ошибками.

Под катом вас будет ждать исправленный алгоритм и онлайн-калькулятор.

Сам метод, опубликованный Литтлом, Мерти, Суини, Кэрелом в 1963 г. применим ко многим NP-полным задачам, и представляет собой очень теоритеризованный материал, который без хороших знаний английского языка и математики сразу не применишь к нашей задаче коммивояжера.

Кратко о методе - это полный перебор всех возможных вариантов с отсеиванием явно неоптимальных решений.

Исправленный алгоритм, для нахождения действительно минимального маршрута

Алгоритм состоит из двух этапов:

Первый этап

Приведение матрицы затрат и вычисление нижней оценки стоимости маршрута r.

1. Вычисляем наименьший элемент в каждой строке (константа приведения для строки)
2. Переходим к новой матрице затрат, вычитая из каждой строки ее константу приведения
3. Вычисляем наименьший элемент в каждом столбце (константа приведения для столбца)
4. Переходим к новой матрице затрат, вычитая из каждого столбца его константу приведения.
Как результат имеем матрицу затрат, в которой в каждой строчке и в каждом столбце имеется хотя бы один нулевой элемент.
5. Вычисляем границу на данном этапе как сумму констант приведения для столбцов и строк (данная граница будет являться стоимостью, меньше которой невозможно построить искомый маршрут)

Второй (основной) этап

1.Вычисление штрафа за неиспользование для каждого нулевого элемента приведенной матрицы затрат.
Штраф за неиспользование элемента с индексом (h,k) в матрице, означает, что это ребро не включается в наш маршрут, а значит минимальная стоимость «неиспользования» этого ребра равна сумме минимальных элементов в строке h и столбце k.

А) Ищем все нулевые элементы в приведенной матрице
б) Для каждого из них считаем его штраф за неиспользование.
в) Выбираем элемент, которому соответствует максимальный штраф (любой, если их несколько)

2. Теперь наше множество S разбиваем на множества - содержащие ребро с максимальным штрафом(S w) и не содержащие это ребро(S w/o).
3. Вычисление оценок затрат для маршрутов, входящих в каждое из этих множеств.
а) Для множества S w/o все просто: раз мы не берем соответствующее ребро c максимальным штрафом(h,k), то для него оценка затрат равна оценки затрат множества S + штраф за неиспользование ребра (h,k)
б) При вычислении затрат для множества S w примем во внимание, что раз ребро (h,k) входит в маршрут, то значит ребро (k,h) в маршрут входить не может, поэтому в матрице затрат пишем c(k,h)=infinity, а так как из пункта h мы «уже ушли», а в пункт k мы «уже пришли», то ни одно ребро, выходящее из h, и ни одно ребро, приходящее в k, уже использоваться не могут, поэтому вычеркиваем из матрицы затрат строку h и столбец k. После этого приводим матрицу, и тогда оценка затрат для S w равна сумме оценки затрат для S и r(h,k), где r(h,k) - сумма констант приведения для измененной матрицы затрат.
4. Из всех неразбитых множеств выбирается то, которое имеет наименьшую оценку.

Так продолжаем, пока в матрице затрат не останется одна не вычеркнутая строка и один не вычеркнутый столбец.

Небольшая оптимизация - подключаем эвристику

Да, правда, почему бы нам не ввести эвристику? Ведь в алгоритме ветвей и границ мы фактически строим дерево, в узлах которого решаем брать ребро (h,k) или нет, и вешаем двух детей - Sw(h,k) и Sw/o(h,k). Но лучший вариант для следующей итерации выбираем только по оценке. Так давайте выбирать лучший не только по оценке, но и по глубине в дереве, т.к. чем глубже выбранный элемент, тем ближе он к концу подсчета. Тем самым мы сможем наконец дождаться ответа.

Теперь, собственно, об ошибках в той публикации

Ошибка была одна единственная - следует выбирать для разбиения множество с минимальной границей из всех возможных путей, а не из двух полученных в результате последнего разбиения детей.

Доказательство

Вернемся к картинке в начале поста:

А вот решение с исправленным алгоритмом:

Ответ: путь:3=>4=>2=>1=>5=>3 длина: 41
Как видите, включая ребро 5:2 в решение будет ошибкой. Что и требовалось доказать

График сравнения метода ветвей и границ и потраченного времени для случайной таблицы от 5х5 до 10х10:


График максимального и минимального потраченного времени для матриц от 5х5 до 66х66.


Попробовать с подробным решением можно

К идее метода ветвей и границ приходили многие исследователи, но Литтл с соавторами на основе указанного метода разработали удачный алгоритм решения ЗК и тем самым способствовали популяризации подхода. С тех пор метод ветвей и границ был успешно применен ко многим задачам, для решения ЗК было придумано несколько других модификаций метода, но в большинстве учебников излагается пионерская работа Литтла.

Общая идея тривиальна: нужно разделить огромное число перебираемых вариантов на классы и получить оценки (снизу - в задаче минимизации, сверху - в задаче максимизации) для этих классов, чтобы иметь возможность отбрасывать варианты не по одному, а целыми классами. Трудность состоит в том, чтобы найти такое разделение на классы (ветви) и такие оценки (границы), чтобы процедура была эффективной.

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Изложим алгоритм Литтла на примере 1 предыдущего раздела. Повторно запишем матрицу:

Нам будет удобнее трактовать С ij 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.

Таблица 5

Таблица 7

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.

Таблица 9

Таблица 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.

В задаче коммивояжера для формирования оптимального маршрута объезда n городов необходимо выбрать один лучший из (n-1)! вариантов по критерию времени, стоимости или длине маршрута. Эта задача связана с определением гамильтонова цикла минимальной длины. В таких случаях множество всех возможных решений следует представить в виде дерева - связного графа, не содержащего циклов и петель. Корень дерева объединяет все множество вариантов, а вершины дерева - это подмножества частично упорядоченных вариантов решений.

Назначение сервиса . С помощью сервиса можно проверить свое решение или получить новое решение задачи коммивояжёра двумя методами: методом ветвей и границ и венгерским методом .

Математическая модель задачи коммивояжера

Сформулированная задача - задача целочисленная. Пусть х ij =1 , если путешественник переезжает из i -ого города в j -ый и х ij =0 , если это не так.
Формально введем (n+1) город, расположенный там же, где и первый город, т.е. расстояния от (n+1) города до любого другого, отличного от первого, равны расстояниям от первого города. При этом, если из первого города можно лишь выйти, то в (n+1) город можно лишь придти.
Введем дополнительные целые переменные, равные номеру посещения этого города на пути. u 1 =0 , u n +1 =n . Для того, чтобы избежать замкнутых путей, выйти из первого города и вернуться в (n+1) введем дополнительные ограничения, связывающие переменные x ij и переменные u i (u i целые неотрицательные числа).

U i -u j +nx ij ≤ n-1, j=2..n+1, i=1..n, i≠j, при i=1 j≠n+1
0≤u i ≤n, x in+1 =x i1 , i=2..n

Методы решения задачи коммивояжера

1. метод ветвей и границ (алгоритм Литтла или исключения подциклов). Пример решения методом ветвей и границ ;
2. венгерский метод. Пример решения венгерским методом .

Алгоритм Литтла или исключения подциклов

1. Операция редукции по строкам: в каждой строке матрицы находят минимальный элемент d min и вычитают его из всех элементов соответствующей строки. Нижняя граница: H=∑d min .
2. Операция редукции по столбцам: в каждом столбце матрицы выбирают минимальный элемент d min , и вычитают его из всех элементов соответствующего столбца. Нижняя граница: H=H+∑d min .
3. Константа приведения H является нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров.
4. Поиск степеней нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого временно нули в матице заменяэт на знак «∞» и находят сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю.
5. Выбирают дугу (i,j) , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения.
6. Разбивают множество всех гамильтоновых контуров на два подмножества: подмножество гамильтоновых контуров содержащих дугу (i,j) и не содержащих ее (i*,j*) . Для получения матрицы контуров, включающих дугу (i,j) , вычеркивают в матрице строку i и столбец j . Чтобы не допустить образования негамильтонова контура, заменяют симметричный элемент (j,i) на знак «∞». Исключение дуги достигается заменой элемента в матрице на ∞.
7. Проводят приведение матрицы гамильтоновых контуров с поиском констант приведения H(i,j) и H(i*,j*) .
8. Сравнивают нижние границы подмножества гамильтоновых контуров H(i,j) и H(i*,j*) . Если H(i,j)
9. Если в результате ветвлений получается матрица (2x2) , то определяют полученный ветвлением гамильтонов контур и его длину.
10. Сравнивают длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей. Если длина контура не превышает их нижних границ, то задача решена. В противном случае развивают ветви подмножеств с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получится маршрут с меньшей длиной.

Пример . Решить по алгоритму Литтла задачу коммивояжера с матрицей

	1	2	3	4
1	-	5	8	7
2	5	-	6	15
3	8	6	-	10
4	7	15	10	-

Решение . Возьмем в качестве произвольного маршрута: X 0 = (1,2);(2,3);(3,4);(4,5);(5,1). Тогда F(X 0) = 20 + 14 + 6 + 12 + 5 = 57
Для определения нижней границы множества воспользуемся операцией редукции или приведения матрицы по строкам, для чего необходимо в каждой строке матрицы D найти минимальный элемент: d i = min(j) d ij

i j	1	2	3	4	5	d i
1	M	20	18	12	8	8
2	5	M	14	7	11	5
3	12	18	M	6	11	6
4	11	17	11	M	12	11
5	5	5	5	5	M	5

Затем вычитаем d i из элементов рассматриваемой строки. В связи с этим во вновь полученной матрице в каждой строке будет как минимум один ноль.

i j	1	2	3	4	5
1	M	12	10	4	0
2	0	M	9	2	6
3	6	12	M	0	5
4	0	6	0	M	1
5	0	0	0	0	M

Такую же операцию редукции проводим по столбцам, для чего в каждом столбце находим минимальный элемент:
d j = min(i) d ij

i j	1	2	3	4	5
1	M	12	10	4	0
2	0	M	9	2	6
3	6	12	M	0	5
4	0	6	0	M	1
5	0	0	0	0	M
d j	0	0	0	0	0

После вычитания минимальных элементов получаем полностью редуцированную матрицу, где величины d i и d j называются константами приведения .

i j	1	2	3	4	5
1	M	12	10	4	0
2	0	M	9	2	6
3	6	12	M	0	5
4	0	6	0	M	1
5	0	0	0	0	M

Сумма констант приведения определяет нижнюю границу H: H = ∑d i + ∑d j = 8+5+6+11+5+0+0+0+0+0 = 35
Элементы матрицы d ij соответствуют расстоянию от пункта i до пункта j.
Поскольку в матрице n городов, то D является матрицей nxn с неотрицательными элементами d ij ≥ 0
Каждый допустимый маршрут представляет собой цикл, по которому коммивояжер посещает город только один раз и возвращается в исходный город.
Длина маршрута определяется выражением: F(M k) = ∑d ij
Причем каждая строка и столбец входят в маршрут только один раз с элементом d ij .
Шаг №1 .
Определяем ребро ветвления

i j	1	2	3	4	5	d i
1	M	12	10	4	0(5)	4
2	0(2)	M	9	2	6	2
3	6	12	M	0(5)	5	5
4	0(0)	6	0(0)	M	1	0
5	0(0)	0(6)	0(0)	0(0)	M	0
d j	0	6	0	0	1	0

d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,3) = 0 + 0 = 0; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,2) = 0 + 6 = 6; d(5,3) = 0 + 0 = 0; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 6) = 6 для ребра (5,2), следовательно, множество разбивается на два подмножества (5,2) и (5*,2*).
Исключение ребра (5,2) проводим путем замены элемента d 52 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (5*,2*), в результате получим редуцированную матрицу.

i j	1	2	3	4	5	d i
1	M	12	10	4	0	0
2	0	M	9	2	6	0
3	6	12	M	0	5	0
4	0	6	0	M	1	0
5	0	M	0	0	M	0
d j	0	6	0	0	0	6

Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(5*,2*) = 35 + 6 = 41
Включение ребра (5,2) проводится путем исключения всех элементов 5-ой строки и 2-го столбца, в которой элемент d 25 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	0	0
2	0	9	2	M	0
3	6	M	0	5	0
4	0	0	M	1	0
d j	0	0	0	0	0

Нижняя граница подмножества (5,2) равна: H(5,2) = 35 + 0 = 35 ≤ 41
Поскольку нижняя граница этого подмножества (5,2) меньше, чем подмножества (5*,2*), то ребро (5,2) включаем в маршрут с новой границей H = 35
Шаг №2 .
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	0(5)	4
2	0(2)	9	2	M	2
3	6	M	0(7)	5	5
4	0(0)	0(9)	M	1	0
d j	0	9	2	1	0

d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 2 = 7; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,3) = 0 + 9 = 9;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 9) = 9 для ребра (4,3), следовательно, множество разбивается на два подмножества (4,3) и (4*,3*).
Исключение ребра (4,3) проводим путем замены элемента d 43 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (4*,3*), в результате получим редуцированную матрицу.

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	0	0
2	0	9	2	M	0
3	6	M	0	5	0
4	0	M	M	1	0
d j	0	9	0	0	9

Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(4*,3*) = 35 + 9 = 44
Включение ребра (4,3) проводится путем исключения всех элементов 4-ой строки и 3-го столбца, в которой элемент d 34 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.

После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:

i j	1	4	5	d i
1	M	4	0	0
2	0	2	M	0
3	6	M	5	5
d j	0	2	0	7

Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑d i + ∑d j = 7
Нижняя граница подмножества (4,3) равна: H(4,3) = 35 + 7 = 42 ≤ 44
Поскольку 42 > 41, исключаем подмножество (5,2) для дальнейшего ветвления.
Возвращаемся к прежнему плану X 1 .
План X 1 .

i j	1	2	3	4	5
1	M	12	10	4	0
2	0	M	9	2	6
3	6	12	M	0	5
4	0	6	0	M	1
5	0	M	0	0	M

Операция редукции .

i j	1	2	3	4	5
1	M	6	10	4	0
2	0	M	9	2	6
3	6	6	M	0	5
4	0	0	0	M	1
5	0	M	0	0	M

Шаг №1 .
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.

i j	1	2	3	4	5	d i
1	M	6	10	4	0(5)	4
2	0(2)	M	9	2	6	2
3	6	6	M	0(5)	5	5
4	0(0)	0(6)	0(0)	M	1	0
5	0(0)	M	0(0)	0(0)	M	0
d j	0	6	0	0	1	0

d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,2) = 0 + 6 = 6; d(4,3) = 0 + 0 = 0; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,3) = 0 + 0 = 0; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 6) = 6 для ребра (4,2), следовательно, множество разбивается на два подмножества (4,2) и (4*,2*).
Исключение ребра (4,2) проводим путем замены элемента d 42 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (4*,2*), в результате получим редуцированную матрицу.

i j	1	2	3	4	5	d i
1	M	6	10	4	0	0
2	0	M	9	2	6	0
3	6	6	M	0	5	0
4	0	M	0	M	1	0
5	0	M	0	0	M	0
d j	0	6	0	0	0	6

Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(4*,2*) = 41 + 6 = 47
Включение ребра (4,2) проводится путем исключения всех элементов 4-ой строки и 2-го столбца, в которой элемент d 24 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (4 x 4), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	0	0
2	0	9	M	6	0
3	6	M	0	5	0
5	0	0	0	M	0
d j	0	0	0	0	0

Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑d i + ∑d j = 0
Нижняя граница подмножества (4,2) равна: H(4,2) = 41 + 0 = 41 ≤ 47
Поскольку нижняя граница этого подмножества (4,2) меньше, чем подмножества (4*,2*), то ребро (4,2) включаем в маршрут с новой границей H = 41
Шаг №2 .
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	0(9)	4
2	0(6)	9	M	6	6
3	6	M	0(5)	5	5
5	0(0)	0(9)	0(0)	M	0
d j	0	9	0	5	0

d(1,5) = 4 + 5 = 9; d(2,1) = 6 + 0 = 6; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,3) = 0 + 9 = 9; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (4 + 5) = 9 для ребра (1,5), следовательно, множество разбивается на два подмножества (1,5) и (1*,5*).
Исключение ребра (1,5) проводим путем замены элемента d 15 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (1*,5*), в результате получим редуцированную матрицу.

i j	1	3	4	5	d i
1	M	10	4	M	4
2	0	9	M	6	0
3	6	M	0	5	0
5	0	0	0	M	0
d j	0	0	0	5	9

Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(1*,5*) = 41 + 9 = 50
Включение ребра (1,5) проводится путем исключения всех элементов 1-ой строки и 5-го столбца, в которой элемент d 51 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (3 x 3), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:

i j	1	3	4	d i
2	0	9	M	0
3	6	M	0	0
5	M	0	0	0
d j	0	0	0	0

Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑d i + ∑d j = 0
Нижняя граница подмножества (1,5) равна: H(1,5) = 41 + 0 = 41 ≤ 50
Поскольку нижняя граница этого подмножества (1,5) меньше, чем подмножества (1*,5*), то ребро (1,5) включаем в маршрут с новой границей H = 41
Шаг №3 .
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.

i j	1	3	4	d i
2	0(15)	9	M	9
3	6	M	0(6)	6
5	M	0(9)	0(0)	0
d j	6	9	0	0

d(2,1) = 9 + 6 = 15; d(3,4) = 6 + 0 = 6; d(5,3) = 0 + 9 = 9; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (9 + 6) = 15 для ребра (2,1), следовательно, множество разбивается на два подмножества (2,1) и (2*,1*).
Исключение ребра (2,1) проводим путем замены элемента d 21 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (2*,1*), в результате получим редуцированную матрицу.

i j	1	3	4	d i
2	M	9	M	9
3	6	M	0	0
5	M	0	0	0
d j	6	0	0	15

Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(2*,1*) = 41 + 15 = 56
Включение ребра (2,1) проводится путем исключения всех элементов 2-ой строки и 1-го столбца, в которой элемент d 12 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (2 x 2), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:

i j	3	4	d i
3	M	0	0
5	0	0	0
d j	0	0	0

Сумма констант приведения сокращенной матрицы:
∑d i + ∑d j = 0
Нижняя граница подмножества (2,1) равна: H(2,1) = 41 + 0 = 41 ≤ 56
Поскольку нижняя граница этого подмножества (2,1) меньше, чем подмножества (2*,1*), то ребро (2,1) включаем в маршрут с новой границей H = 41.
В соответствии с этой матрицей включаем в гамильтонов маршрут ребра (3,4) и (5,3).
В результате по дереву ветвлений гамильтонов цикл образуют ребра:
(4,2), (2,1), (1,5), (5,3), (3,4). Длина маршрута равна F(Mk) = 41

Дерево решений.

																														1
								(5*,2*), H=41																																												(5,2)
(4*,2*), H=47																	(4,2)																															(4*,3*), H=44								(4,3)
								(1*,5*), H=50																	(1,5)
																(2*,1*), H=56																		(2,1)
																												(3,4)												(3*,4*), H=41
																								(5,3)								(5*,3*), H=41

ЭММиМвЛ, ИСО, МПУР

ЗАДАЧА КОММИВОЯЖЕРА

Определения

Графом называется непустое конечное множество, состоящее из двух подмножестви. 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 – длина (или цена) дуги (i , j ),
. Подмаршрутом 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 подмножествиоказываются не меньше нижней границы множества всех маршрутов, т.е.
.

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

Затем одно из подмножеств илипо аналогичному правилу разбивается на два новыхи. Для них снова отыскиваются нижние границыφ (), и φ () и т.д. Процесс ветвления продолжается до тех пор, пока не отыщется единственный маршрут. Его называютпервым 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.

Основная идея метода ветвей и границ состоит в том, что ветвятся не все вершины. Сначала вершины просматриваются, и каждая вершина оценивается. Ветвится та вершина, которая получает лучшую оценку.

Каждой вершине соответствует множество вариантов решений. Каждому варианту решения соответствует определенное значение критерия эффективности
. Лучшее из этих значений (минимальное или максимальное) удобно взять в качестве оценки вершины. Однако подсчитать точное значениекритерия, не перебрав всех вариантов, невозможно. Поэтому используется не точное значениекритерия, а его оценка снизу (в случае минимизации) или сверху (в случае максимизации). Оценка снизу – это оценка нижней границы множества вариантов, оценка сверху – это оценка верхней границы множества вариантов.

Оценка вершины должна удовлетворять следующим свойствам.

Алгоритм метода ветвей и границ

Шаг 1 . Строятся вершины первого уровня. Для каждой вершины подсчитывается оценка нижней (верхней) границы. Ветвится вершина, которой соответствует лучшая (минимальная или максимальная) оценка.

Шаг 2 . Для всех вершин -го уровня (
) подсчитывается оценка. Ветвится та из висячих вершин уровня
, которой соответствует лучшая (минимальная или максимальная) оценка.

Шаг 3 . Действия шага 2 повторяются до тех пор, пока не будет получено точное решение на последнем уровне. Для него подсчитывается точное значение . Если это значение не хуже оценок оставшихся висячих вершин, то найдено оптимальное решение. Если это значение строго лучше, то оптимальное решение единственно. Если значение функциидля вершин последнего уровня не лучше значения оценок оставшихся висячих вершин, то переходят на шаг 2.

Метод ветвей и границ не гарантирует того, что в ходе решения задачи не будет произведен полный перебор.

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 маршрута 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 (Г.И. Просветов, 2009, стр. 44)

Решим задачу коммивояжера для пяти пунктов.

Расстояния между населенными пунктами заданы с помощью матрицы

,

где - длина пути от пунктаi до пункта j .

На каждом шаге ребро
либо включается в ответ (обозначение
), либо не включается в ответ (обозначение
).

Шаг 1. Нахождение константы приведения .

Находим минимальный элемент в каждой строке и вычитаем его из всех элементов этой строки. В полученной матрице находим минимальный элемент в каждом столбце и вычитаем его из каждого элемента соответствующего столбца.

Найденные минимумы в строке и столбце называются константами приведения строки или столбца соответственно. Сумма всех найденных минимумов равна 18 – константа приведения матрицы. Она дает оценку снизу на данном шаге длины маршрута.

Шаг 2 . Определение дуги, исключение которой максимально увеличивает оценку, полученную на предыдущем шаге.

С этой целью заменяем поочередно каждый из нулей на .

Элемент
имеет наибольшую сумму. Поэтому все множество маршрутов распадается на два класса:
(не содержат дугу
) и
(содержат дугу
).

Шаг 3 . Определение множества дуг для дальнейшего ветвления.

Рассмотрим множество
. Исключение дуги

на:

.

В полученной матрице нужно определить сумму констант приведения:

Нижняя граница множества
, где 18 – оценка предыдущего шага, 3 – оценка текущего шага.

Рассмотрим множество
. Включение дуги
проводится с помощью исключения 1-й строки (в множестве
из пункта 1 мы идем только в пункт 3) и 3-го столбца (в множестве
в пункт 3 мы можем попасть только из пункта 1). Элемент (3,1) заменяем на(исключаем возможность возвращения, зацикливания, образования негамильтонова цикла):

.

Нижняя граница множества , где 18 – оценка предыдущего шага, 1 – оценка текущего шага. Числа над матрицей суть номера столбцов, числа перед матрицей – номера строк.

Так как
, то дальше ветвим множество
.

Для матрицы

определим дугу, исключение которой максимально увеличило бы полученную оценку
. Для этого заменяем поочередно каждый из нулей наи вычисляем сумму наименьших элементов в строке и столбце, содержащих этот новый элемент:

Для элемента
эта сумма наибольшая. Поэтому все множество маршрутов распадается на два класса:
(не содержит дугу
) и
(содержит дугу
).

Рассмотрим множество
. Исключение дуги
проводится с помощью замены элемента
на:

.

Определим в полученной матрице ее константу приведения:

.