Având în vedere un set de orașe și distanță între fiecare pereche de orașe, problema este să găsești cel mai scurt turneu posibil care vizitează fiecare oraș exact o dată și se întoarce la punctul de plecare.
De exemplu, luați în considerare graficul prezentat în figura din partea dreaptă. Un tur TSP în grafic este 0-1-3-2-0. Costul turului este de 10+25+30+15, ceea ce este 80.
Am discutat despre următoarele soluții
1) Programare naivă și dinamică
2) Soluție aproximativă folosind MST
Soluție de ramură și legată
După cum se vede în articolele anterioare din metoda ramurilor și legate pentru nodul curent în arbore, calculăm o legătură cu cea mai bună soluție posibilă pe care o putem obține dacă coborâm acest nod. Dacă legătura pe cea mai bună soluție posibilă în sine este mai rea decât cea mai bună actuală (cel mai bun calculat până acum), atunci ignorăm subtree înrădăcinată cu nodul.
Rețineți că costul printr -un nod include două costuri.
1) Costul atingerii nodului de la rădăcină (când ajungem la un nod, avem acest cost calculat)
2) Costul atingerii unui răspuns de la nodul curent la o frunză (calculăm o legătură cu acest cost pentru a decide dacă să ignorăm subtree cu acest nod sau nu).
- În cazuri de a Problemă de maximizare O limită superioară ne spune soluția maximă posibilă dacă urmăm nodul dat. De exemplu în 0/1 Knapsack Am folosit o abordare lacomă pentru a găsi o legătură superioară .
- În cazuri de a Problema de minimizare O limită inferioară ne spune soluția minimă posibilă dacă urmăm nodul dat. De exemplu în Problema de atribuire a locurilor de muncă Obținem o legătură mai mică prin alocarea unui loc de muncă cel mai puțin costului unui lucrător.
În ramură și legată, partea provocatoare este să descoperiți o modalitate de a calcula o legătură cu cea mai bună soluție posibilă. Mai jos este o idee folosită pentru calcularea limitelor pentru problema vânzătorului călător.
Costul oricărui tur poate fi scris ca mai jos.
Cost of a tour T = (1/2) * ? (Sum of cost of two edges adjacent to u and in the tour T) where u ? V For every vertex u if we consider two edges through it in T and sum their costs. The overall sum for all vertices would be twice of cost of tour T (We have considered every edge twice.) (Sum of two tour edges adjacent to u) >= (sum of minimum weight two edges adjacent to u) Cost of any tour >= 1/2) * ? (Sum of cost of two minimum weight edges adjacent to u) where u ? V
De exemplu, luați în considerare graficul arătat mai sus. Mai jos sunt costuri minime două muchii adiacente fiecărui nod.
Node Least cost edges Total cost 0 (0 1) (0 2) 25 1 (0 1) (1 3) 35 2 (0 2) (2 3) 45 3 (0 3) (1 3) 45 Thus a lower bound on the cost of any tour = 1/2(25 + 35 + 45 + 45) = 75 Refer this for one more example.
Acum avem o idee despre calcularea legăturii inferioare. Să vedem cum să aplicăm arborele de căutare a spațiului de stat. Începem să enumerăm toate nodurile posibile (de preferință în ordine lexicografică)
1. Nodul rădăcină: Fără pierderea generalității, presupunem că începem la vertexul „0” pentru care s -a calculat limita inferioară mai sus.
Tratarea nivelului 2: Următorul nivel enumeră toate vârfurile posibile la care putem merge (ținând cont că, în orice cale, un vertex trebuie să apară o singură dată), care sunt 1 2 3 ... n (rețineți că graficul este complet). Luați în considerare că calculăm pentru Vertex 1, deoarece am trecut de la 0 la 1 turneul nostru a inclus acum marginea 0-1. Acest lucru ne permite să facem modificările necesare în limita inferioară a rădăcinii.
Lower Bound for vertex 1 = Old lower bound - ((minimum edge cost of 0 + minimum edge cost of 1) / 2) + (edge cost 0-1)
Cum funcționează? Pentru a include marginea 0-1, adăugăm costul de margine de 0-1 și scădem o greutate de margine, astfel încât limita inferioară rămâne cât mai strânsă, ceea ce ar fi suma marginilor minime de 0 și 1 împărțite la 2. În mod clar, marginea scăzută nu poate fi mai mică decât aceasta.
Tratarea altor niveluri: Pe măsură ce trecem la nivelul următor, enumerăm din nou toate vârfurile posibile. Pentru ca cazul de mai sus să meargă mai departe după 1, verificăm pentru 2 3 4 ... n.
Luați în considerare locurile inferioare pentru 2 pe măsură ce am trecut de la 1 la 1 includem marginea 1-2 la tur și modificăm noua limită inferioară pentru acest nod.
Lower bound(2) = Old lower bound - ((second minimum edge cost of 1 + minimum edge cost of 2)/2) + edge cost 1-2)
Notă: Singura modificare a formulei este că de data aceasta am inclus al doilea cost minim de margine pentru 1, deoarece costul minim de margine a fost deja scăzut la nivelul anterior.
// C++ program to solve Traveling Salesman Problem // using Branch and Bound. #include
// Java program to solve Traveling Salesman Problem // using Branch and Bound. import java.util.*; class GFG { static int N = 4; // final_path[] stores the final solution ie the // path of the salesman. static int final_path[] = new int[N + 1]; // visited[] keeps track of the already visited nodes // in a particular path static boolean visited[] = new boolean[N]; // Stores the final minimum weight of shortest tour. static int final_res = Integer.MAX_VALUE; // Function to copy temporary solution to // the final solution static void copyToFinal(int curr_path[]) { for (int i = 0; i < N; i++) final_path[i] = curr_path[i]; final_path[N] = curr_path[0]; } // Function to find the minimum edge cost // having an end at the vertex i static int firstMin(int adj[][] int i) { int min = Integer.MAX_VALUE; for (int k = 0; k < N; k++) if (adj[i][k] < min && i != k) min = adj[i][k]; return min; } // function to find the second minimum edge cost // having an end at the vertex i static int secondMin(int adj[][] int i) { int first = Integer.MAX_VALUE second = Integer.MAX_VALUE; for (int j=0; j<N; j++) { if (i == j) continue; if (adj[i][j] <= first) { second = first; first = adj[i][j]; } else if (adj[i][j] <= second && adj[i][j] != first) second = adj[i][j]; } return second; } // function that takes as arguments: // curr_bound -> lower bound of the root node // curr_weight-> stores the weight of the path so far // level-> current level while moving in the search // space tree // curr_path[] -> where the solution is being stored which // would later be copied to final_path[] static void TSPRec(int adj[][] int curr_bound int curr_weight int level int curr_path[]) { // base case is when we have reached level N which // means we have covered all the nodes once if (level == N) { // check if there is an edge from last vertex in // path back to the first vertex if (adj[curr_path[level - 1]][curr_path[0]] != 0) { // curr_res has the total weight of the // solution we got int curr_res = curr_weight + adj[curr_path[level-1]][curr_path[0]]; // Update final result and final path if // current result is better. if (curr_res < final_res) { copyToFinal(curr_path); final_res = curr_res; } } return; } // for any other level iterate for all vertices to // build the search space tree recursively for (int i = 0; i < N; i++) { // Consider next vertex if it is not same (diagonal // entry in adjacency matrix and not visited // already) if (adj[curr_path[level-1]][i] != 0 && visited[i] == false) { int temp = curr_bound; curr_weight += adj[curr_path[level - 1]][i]; // different computation of curr_bound for // level 2 from the other levels if (level==1) curr_bound -= ((firstMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i))/2); else curr_bound -= ((secondMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i))/2); // curr_bound + curr_weight is the actual lower bound // for the node that we have arrived on // If current lower bound < final_res we need to explore // the node further if (curr_bound + curr_weight < final_res) { curr_path[level] = i; visited[i] = true; // call TSPRec for the next level TSPRec(adj curr_bound curr_weight level + 1 curr_path); } // Else we have to prune the node by resetting // all changes to curr_weight and curr_bound curr_weight -= adj[curr_path[level-1]][i]; curr_bound = temp; // Also reset the visited array Arrays.fill(visitedfalse); for (int j = 0; j <= level - 1; j++) visited[curr_path[j]] = true; } } } // This function sets up final_path[] static void TSP(int adj[][]) { int curr_path[] = new int[N + 1]; // Calculate initial lower bound for the root node // using the formula 1/2 * (sum of first min + // second min) for all edges. // Also initialize the curr_path and visited array int curr_bound = 0; Arrays.fill(curr_path -1); Arrays.fill(visited false); // Compute initial bound for (int i = 0; i < N; i++) curr_bound += (firstMin(adj i) + secondMin(adj i)); // Rounding off the lower bound to an integer curr_bound = (curr_bound==1)? curr_bound/2 + 1 : curr_bound/2; // We start at vertex 1 so the first vertex // in curr_path[] is 0 visited[0] = true; curr_path[0] = 0; // Call to TSPRec for curr_weight equal to // 0 and level 1 TSPRec(adj curr_bound 0 1 curr_path); } // Driver code public static void main(String[] args) { //Adjacency matrix for the given graph int adj[][] = {{0 10 15 20} {10 0 35 25} {15 35 0 30} {20 25 30 0} }; TSP(adj); System.out.printf('Minimum cost : %dn' final_res); System.out.printf('Path Taken : '); for (int i = 0; i <= N; i++) { System.out.printf('%d ' final_path[i]); } } } /* This code contributed by PrinciRaj1992 */
# Python3 program to solve # Traveling Salesman Problem using # Branch and Bound. import math maxsize = float('inf') # Function to copy temporary solution # to the final solution def copyToFinal(curr_path): final_path[:N + 1] = curr_path[:] final_path[N] = curr_path[0] # Function to find the minimum edge cost # having an end at the vertex i def firstMin(adj i): min = maxsize for k in range(N): if adj[i][k] < min and i != k: min = adj[i][k] return min # function to find the second minimum edge # cost having an end at the vertex i def secondMin(adj i): first second = maxsize maxsize for j in range(N): if i == j: continue if adj[i][j] <= first: second = first first = adj[i][j] elif(adj[i][j] <= second and adj[i][j] != first): second = adj[i][j] return second # function that takes as arguments: # curr_bound -> lower bound of the root node # curr_weight-> stores the weight of the path so far # level-> current level while moving # in the search space tree # curr_path[] -> where the solution is being stored # which would later be copied to final_path[] def TSPRec(adj curr_bound curr_weight level curr_path visited): global final_res # base case is when we have reached level N # which means we have covered all the nodes once if level == N: # check if there is an edge from # last vertex in path back to the first vertex if adj[curr_path[level - 1]][curr_path[0]] != 0: # curr_res has the total weight # of the solution we got curr_res = curr_weight + adj[curr_path[level - 1]] [curr_path[0]] if curr_res < final_res: copyToFinal(curr_path) final_res = curr_res return # for any other level iterate for all vertices # to build the search space tree recursively for i in range(N): # Consider next vertex if it is not same # (diagonal entry in adjacency matrix and # not visited already) if (adj[curr_path[level-1]][i] != 0 and visited[i] == False): temp = curr_bound curr_weight += adj[curr_path[level - 1]][i] # different computation of curr_bound # for level 2 from the other levels if level == 1: curr_bound -= ((firstMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i)) / 2) else: curr_bound -= ((secondMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i)) / 2) # curr_bound + curr_weight is the actual lower bound # for the node that we have arrived on. # If current lower bound < final_res # we need to explore the node further if curr_bound + curr_weight < final_res: curr_path[level] = i visited[i] = True # call TSPRec for the next level TSPRec(adj curr_bound curr_weight level + 1 curr_path visited) # Else we have to prune the node by resetting # all changes to curr_weight and curr_bound curr_weight -= adj[curr_path[level - 1]][i] curr_bound = temp # Also reset the visited array visited = [False] * len(visited) for j in range(level): if curr_path[j] != -1: visited[curr_path[j]] = True # This function sets up final_path def TSP(adj): # Calculate initial lower bound for the root node # using the formula 1/2 * (sum of first min + # second min) for all edges. Also initialize the # curr_path and visited array curr_bound = 0 curr_path = [-1] * (N + 1) visited = [False] * N # Compute initial bound for i in range(N): curr_bound += (firstMin(adj i) + secondMin(adj i)) # Rounding off the lower bound to an integer curr_bound = math.ceil(curr_bound / 2) # We start at vertex 1 so the first vertex # in curr_path[] is 0 visited[0] = True curr_path[0] = 0 # Call to TSPRec for curr_weight # equal to 0 and level 1 TSPRec(adj curr_bound 0 1 curr_path visited) # Driver code # Adjacency matrix for the given graph adj = [[0 10 15 20] [10 0 35 25] [15 35 0 30] [20 25 30 0]] N = 4 # final_path[] stores the final solution # i.e. the // path of the salesman. final_path = [None] * (N + 1) # visited[] keeps track of the already # visited nodes in a particular path visited = [False] * N # Stores the final minimum weight # of shortest tour. final_res = maxsize TSP(adj) print('Minimum cost :' final_res) print('Path Taken : ' end = ' ') for i in range(N + 1): print(final_path[i] end = ' ') # This code is contributed by ng24_7
// C# program to solve Traveling Salesman Problem // using Branch and Bound. using System; public class GFG { static int N = 4; // final_path[] stores the final solution ie the // path of the salesman. static int[] final_path = new int[N + 1]; // visited[] keeps track of the already visited nodes // in a particular path static bool[] visited = new bool[N]; // Stores the final minimum weight of shortest tour. static int final_res = Int32.MaxValue; // Function to copy temporary solution to // the final solution static void copyToFinal(int[] curr_path) { for (int i = 0; i < N; i++) final_path[i] = curr_path[i]; final_path[N] = curr_path[0]; } // Function to find the minimum edge cost // having an end at the vertex i static int firstMin(int[ ] adj int i) { int min = Int32.MaxValue; for (int k = 0; k < N; k++) if (adj[i k] < min && i != k) min = adj[i k]; return min; } // function to find the second minimum edge cost // having an end at the vertex i static int secondMin(int[ ] adj int i) { int first = Int32.MaxValue second = Int32.MaxValue; for (int j = 0; j < N; j++) { if (i == j) continue; if (adj[i j] <= first) { second = first; first = adj[i j]; } else if (adj[i j] <= second && adj[i j] != first) second = adj[i j]; } return second; } // function that takes as arguments: // curr_bound -> lower bound of the root node // curr_weight-> stores the weight of the path so far // level-> current level while moving in the search // space tree // curr_path[] -> where the solution is being stored // which // would later be copied to final_path[] static void TSPRec(int[ ] adj int curr_bound int curr_weight int level int[] curr_path) { // base case is when we have reached level N which // means we have covered all the nodes once if (level == N) { // check if there is an edge from last vertex in // path back to the first vertex if (adj[curr_path[level - 1] curr_path[0]] != 0) { // curr_res has the total weight of the // solution we got int curr_res = curr_weight + adj[curr_path[level - 1] curr_path[0]]; // Update final result and final path if // current result is better. if (curr_res < final_res) { copyToFinal(curr_path); final_res = curr_res; } } return; } // for any other level iterate for all vertices to // build the search space tree recursively for (int i = 0; i < N; i++) { // Consider next vertex if it is not same // (diagonal entry in adjacency matrix and not // visited already) if (adj[curr_path[level - 1] i] != 0 && visited[i] == false) { int temp = curr_bound; curr_weight += adj[curr_path[level - 1] i]; // different computation of curr_bound for // level 2 from the other levels if (level == 1) curr_bound -= ((firstMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i)) / 2); else curr_bound -= ((secondMin(adj curr_path[level - 1]) + firstMin(adj i)) / 2); // curr_bound + curr_weight is the actual // lower bound for the node that we have // arrived on If current lower bound < // final_res we need to explore the node // further if (curr_bound + curr_weight < final_res) { curr_path[level] = i; visited[i] = true; // call TSPRec for the next level TSPRec(adj curr_bound curr_weight level + 1 curr_path); } // Else we have to prune the node by // resetting all changes to curr_weight and // curr_bound curr_weight -= adj[curr_path[level - 1] i]; curr_bound = temp; // Also reset the visited array Array.Fill(visited false); for (int j = 0; j <= level - 1; j++) visited[curr_path[j]] = true; } } } // This function sets up final_path[] static void TSP(int[ ] adj) { int[] curr_path = new int[N + 1]; // Calculate initial lower bound for the root node // using the formula 1/2 * (sum of first min + // second min) for all edges. // Also initialize the curr_path and visited array int curr_bound = 0; Array.Fill(curr_path -1); Array.Fill(visited false); // Compute initial bound for (int i = 0; i < N; i++) curr_bound += (firstMin(adj i) + secondMin(adj i)); // Rounding off the lower bound to an integer curr_bound = (curr_bound == 1) ? curr_bound / 2 + 1 : curr_bound / 2; // We start at vertex 1 so the first vertex // in curr_path[] is 0 visited[0] = true; curr_path[0] = 0; // Call to TSPRec for curr_weight equal to // 0 and level 1 TSPRec(adj curr_bound 0 1 curr_path); } // Driver code static public void Main() { // Adjacency matrix for the given graph int[ ] adj = { { 0 10 15 20 } { 10 0 35 25 } { 15 35 0 30 } { 20 25 30 0 } }; TSP(adj); Console.WriteLine('Minimum cost : ' + final_res); Console.Write('Path Taken : '); for (int i = 0; i <= N; i++) { Console.Write(final_path[i] + ' '); } } } // This code is contributed by Rohit Pradhan
const N = 4; // final_path[] stores the final solution ie the // path of the salesman. let final_path = Array (N + 1).fill (-1); // visited[] keeps track of the already visited nodes // in a particular path let visited = Array (N).fill (false); // Stores the final minimum weight of shortest tour. let final_res = Number.MAX_SAFE_INTEGER; // Function to copy temporary solution to // the final solution function copyToFinal (curr_path){ for (let i = 0; i < N; i++){ final_path[i] = curr_path[i]; } final_path[N] = curr_path[0]; } // Function to find the minimum edge cost // having an end at the vertex i function firstMin (adj i){ let min = Number.MAX_SAFE_INTEGER; for (let k = 0; k < N; k++){ if (adj[i][k] < min && i !== k){ min = adj[i][k]; } } return min; } // function to find the second minimum edge cost // having an end at the vertex i function secondMin (adj i){ let first = Number.MAX_SAFE_INTEGER; let second = Number.MAX_SAFE_INTEGER; for (let j = 0; j < N; j++){ if (i == j){ continue; } if (adj[i][j] <= first){ second = first; first = adj[i][j]; } else if (adj[i][j] <= second && adj[i][j] !== first){ second = adj[i][j]; } } return second; } // function that takes as arguments: // curr_bound -> lower bound of the root node // curr_weight-> stores the weight of the path so far // level-> current level while moving in the search // space tree // curr_path[] -> where the solution is being stored which // would later be copied to final_path[] function TSPRec (adj curr_bound curr_weight level curr_path) { // base case is when we have reached level N which // means we have covered all the nodes once if (level == N) { // check if there is an edge from last vertex in // path back to the first vertex if (adj[curr_path[level - 1]][curr_path[0]] !== 0) { // curr_res has the total weight of the // solution we got let curr_res = curr_weight + adj[curr_path[level - 1]][curr_path[0]]; // Update final result and final path if // current result is better. if (curr_res < final_res) { copyToFinal (curr_path); final_res = curr_res; } } return; } // for any other level iterate for all vertices to // build the search space tree recursively for (let i = 0; i < N; i++){ // Consider next vertex if it is not same (diagonal // entry in adjacency matrix and not visited // already) if (adj[curr_path[level - 1]][i] !== 0 && !visited[i]){ let temp = curr_bound; curr_weight += adj[curr_path[level - 1]][i]; // different computation of curr_bound for // level 2 from the other levels if (level == 1){ curr_bound -= (firstMin (adj curr_path[level - 1]) + firstMin (adj i)) / 2; } else { curr_bound -= (secondMin (adj curr_path[level - 1]) + firstMin (adj i)) / 2; } // curr_bound + curr_weight is the actual lower bound // for the node that we have arrived on // If current lower bound < final_res we need to explore // the node further if (curr_bound + curr_weight < final_res){ curr_path[level] = i; visited[i] = true; // call TSPRec for the next level TSPRec (adj curr_bound curr_weight level + 1 curr_path); } // Else we have to prune the node by resetting // all changes to curr_weight and curr_bound curr_weight -= adj[curr_path[level - 1]][i]; curr_bound = temp; // Also reset the visited array visited.fill (false) for (var j = 0; j <= level - 1; j++) visited[curr_path[j]] = true; } } } // This function sets up final_path[] function TSP (adj) { let curr_path = Array (N + 1).fill (-1); // Calculate initial lower bound for the root node // using the formula 1/2 * (sum of first min + // second min) for all edges. // Also initialize the curr_path and visited array let curr_bound = 0; visited.fill (false); // compute initial bound for (let i = 0; i < N; i++){ curr_bound += firstMin (adj i) + secondMin (adj i); } // Rounding off the lower bound to an integer curr_bound = curr_bound == 1 ? (curr_bound / 2) + 1 : (curr_bound / 2); // We start at vertex 1 so the first vertex // in curr_path[] is 0 visited[0] = true; curr_path[0] = 0; // Call to TSPRec for curr_weight equal to // 0 and level 1 TSPRec (adj curr_bound 0 1 curr_path); } //Adjacency matrix for the given graph let adj =[[0 10 15 20] [10 0 35 25] [15 35 0 30] [20 25 30 0]]; TSP (adj); console.log (`Minimum cost:${final_res}`); console.log (`Path Taken:${final_path.join (' ')}`); // This code is contributed by anskalyan3.
Ieșire:
Minimum cost : 80 Path Taken : 0 1 3 2 0
Rotunjirea se face în această linie de cod:
if (level==1) curr_bound -= ((firstMin(adj curr_path[level-1]) + firstMin(adj i))/2); else curr_bound -= ((secondMin(adj curr_path[level-1]) + firstMin(adj i))/2);
În ramura și algoritmul TSP legat, calculăm o legătură mai mică pe costul total al soluției optime prin adăugarea costurilor minime de margine pentru fiecare vertex și apoi împărțirea la două. Cu toate acestea, această limită inferioară poate să nu fie un număr întreg. Pentru a obține o legătură inferioară mai mică, putem folosi rotunjirea.
În codul de mai sus, variabila Curr_Bound deține limita mai mică curentă la costul total al soluției optime. Când vizităm un nou vertex la nivel de nivel, calculăm un nou nivel nou de legătură inferioară, luând suma costurilor minime de margine pentru noul vertex și cei doi vecini cei mai apropiați. Actualizăm apoi variabila Curr_Bound prin rotunjirea New_Bound la cel mai apropiat număr întreg.
Dacă nivelul este 1, rotim până la cel mai apropiat număr întreg. Acest lucru se datorează faptului că am vizitat un singur vertex până acum și vrem să fim conservatori în estimarea noastră a costului total al soluției optime. Dacă nivelul este mai mare de 1, folosim o strategie de rotunjire mai agresivă, care ține cont de faptul că am vizitat deja unele vârfuri și, prin urmare, putem face o estimare mai exactă a costului total al soluției optime.
Complexitate a timpului: Cel mai rău caz de complexitate a ramurilor și legate rămâne aceeași cu cea a forței brute în mod clar, deoarece, în cel mai rău caz, este posibil să nu avem niciodată șansa de a prune un nod. În timp ce în practică se comportă foarte bine în funcție de diferitele instanțe ale TSP. Complexitatea depinde, de asemenea, de alegerea funcției de delimitare, deoarece sunt cei care decide câte noduri trebuie tăiate.
Referințe:
http://lcm.csa.iisc.ernet.in/dsa/node187.html