Задачи коммивояжера решаются посредством различных методов, выведенных в результате теоретических исследований. Все эффективные методы (сокращающие полный перебор) — методы эвристические. В большинстве эвристических методов находится не самый эффективный маршрут, а приближённое решение. Зачастую востребованы алгоритмы постепенно улучшающие некоторое текущее приближенное решение. Выделяют следующие группы методов решения задач коммивояжера, которые относят к простейшим:
· Полный перебор;
Полный перебор (или метод «грубой силы») — метод решения задачи путем перебора всех возможных вариантов. Сложность полного перебора зависит от количества всех возможных решений задачи. Если пространство решений очень велико, то полный перебор может не дать результатов в течение нескольких лет или даже столетий.
· Случайный перебор;
Обычно выбор решения можно представить последовательностью выборов. Если делать эти выборы с помощью какого-либо случайного механизма, то решение находится очень быстро, так что можно находить решение многократно и запоминать «рекорд», т. е. наилучшее из встретившихся решений. Этот наивный подход существенно улучшается, когда удается учесть в случайном механизме перспективность тех или иных выборов, т. е. комбинировать случайный поиск с эвристическим методом и методом локального поиска. Такие методы применяются, например, при составлении расписаний для Аэрофлота.
· Жадные алгоритмы (метод ближайшего соседа, метод включения ближайшего города, метод самого дешевого включения);
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. При решении задачи коммивояжера жадный алгоритм превратится в стратегию «иди в ближайший (в который еще не входил) город». Жадный алгоритм, очевидно, бессилен в этой задаче. Рассмотрим для примера сеть (рис. 2), представляющую узкий ромб. Коммивояжер стартует из города 1. Алгоритм «иди в 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.
Рис. 3
· Метод минимального остовного дерева (деревянный алгоритм);
В основе алгоритма лежит утверждение: «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. Деревянный алгоритм для решения задачи коммивояжера будет следующим: строится на входной сети задачи коммивояжера кратчайшее остовное дерево и удваиваются все его ребра. В результате получаем граф — связный с вершинами, имеющими только четные степени. Затем строится эйлеров цикл, начиная с вершины 1, цикл задается перечнем вершин. Просматривается перечень вершин, начиная с 1, и зачеркивается каждая вершина, которая повторяет уже встреченную в последовательности. Останется тур, который и является результатом алгоритма.
Доказано, что деревянный алгоритм ошибается менее чем в два раза, поэтому такие алгоритмы называют приблизительными, а не просто эвристическими.
· Метод имитации отжига.
Экзотическое название данного алгоритма связано с методами имитационного моделирования в статистической физике, основанными на технике Монте-Карло. Исследование кристаллической решетки и поведения атомов при медленном остывании тела привело к появлению на свет вероятностных алгоритмов, которые оказались чрезвычайно эффективными в комбинаторной оптимизации. Впервые это было замечено в 1983 году. Сегодня этот алгоритм является популярным как среди практиков благодаря своей простоте, гибкости и эффективности, так и среди теоретиков, поскольку для данного алгоритма удается аналитически исследовать его свойства и доказать асимптотическую сходимость. Алгоритм имитации отжига относится к классу пороговых алгоритмов локального поиска. На каждом шаге этого алгоритма для текущего решения ik в его окрестности N(ik) выбирается некоторое решение j и, если разность по целевой функции между новым и текущим решением не превосходит заданного порога tk, то новое решение j заменяет текущее. В противном случае выбирается новое соседнее решение. На практике применяются различные модификации более эффективных методов:
· Метод ветвей и границ;
Метод ветвей и границ предложен в 1963 году группой авторов Дж. Литлом, К. Мурти, Д. Суини, К. Кэролом. Широко используемый вариант поиска с возвращением, фактически является лишь специальным частным случаем метода поиска с ограничениями4. Ограничения в данном случае основываются на предположении, что на множестве возможных и частичных решений задана некоторая функция цены и что нужно найти оптимальное решение, т.е. решение с наименьшей ценой. Для применения метода ветвей и границ функция цены должна обладать тем свойством, что цена любого частичного решения не превышает цены любого расширения этого частичного решения (Заметим, что в большинстве случаев функция цены неотрицательна и даже удовлетворяет более сильному требованию). Столь большой успех применения данного метода объясняется тем, что авторы первыми обратили внимание на широту возможностей метода, отметили важность использования специфики задачи и сами воспользовались спецификой задачи коммивояжера.
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.
· Метод генетических алгоритмов;
«Отцом-основателем» генетических алгоритмов считается Джон Холланд, книга которого «Адаптация в естественных и искусственных системах» (1975) является основополагающим трудом в этой области исследований. Генетический алгоритм — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путём случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию. Является разновидностью эволюционных вычислений. Отличительной особенностью генетического алгоритма является акцент на использование оператора «скрещивания», который производит операцию рекомбинации решений-кандидатов, роль которой аналогична роли скрещивания в живой природе. Генетические алгоритмы служат, главным образом, для поиска решений в многомерных пространствах поиска.
· алгоритм муравьиной колонии.
Алгоритмы муравья, или оптимизация по принципу муравьиной колонии (название было придумано изобретателем алгоритма, Марко Дориго), основаны на применении нескольких агентов и обладают специфическими свойствами, присущими муравьям, и используют их для ориентации в физическом пространстве. Алгоритмы муравья особенно интересны потому, что их можно использовать для решения не только статичных, но и динамических проблем, например, в изменяющихся сетях.
2.4 Метод ветвей и границ
Для решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ необходимо выполнить следующую последовательность действий:
(1) Построение матрицы с исходными данными.
(2) Нахождение минимума по строкам.
(3) Редукция строк.
(4) Нахождение минимума по столбцам.
(5) Редукция столбцов.
(6) Вычисление оценок нулевых клеток.
(7) Редукция матрицы.
(8) Если полный путь еще не найден, переходим к пункту 2, если найден к пункту 9.
(9) Вычисление итоговой длины пути и построение маршрута.
Подробная методика решения
В целях лучшего понимания задачи будем оперировать не понятиями графа, его вершин и т.д., а понятиями простыми и максимально приближенными к реальности: вершины графа будут называться «города», ребра их соединяющие – «дороги».
Итак, методика решения задачи коммивояжера:
1. Построение матрицы с исходными данными
Сначала необходимо длины дорог соединяющих города представить в виде следующей таблицы:
Таблица 1
В нашем примере у нас 4 города и в таблице указано расстояние от каждого города к 3-м другим, в зависимости от направления движения (т.к. некоторые ж/д пути могут быть с односторонним движением и т.д.).
Расстояние от города к этому же городу обозначено буквой M. Также используется знак бесконечности. Это сделано для того, чтобы данный отрезок путь был условно принят за бесконечно длинный. Тогда не будет смысла выбрать движение от 1-ого города к 1-му, от 2-ого ко 2-му, и т.п. в качестве отрезка маршрута.
2. Нахождение минимума по строкам
Находим минимальное значение в каждой строке (di) и выписываем его в отдельный столбец.
Таблица 2
3. редукция строк
Производим редукцию строк – из каждого элемента в строке вычитаем соответствующее значение найденного минимума (di).
Таблица 3
В итоге в каждой строке будет хотя бы одна нулевая клетка.
4. Нахождение минимума по столбцам
Таблица 4
Далее находим минимальные значения в каждом столбце (dj). Эти минимумы выписываем в отдельную строку.
5. редукция столбцов
Вычитаем из каждого элемента матрицы соответствующее ему dj.
Таблица 5
В итоге в каждом столбце будет хотя бы одна нулевая клетка.
6. Вычисление оценок нулевых клеток
Для каждой нулевой клетки получившейся преобразованной матрицы находим «оценку». Ею будет сумма минимального элемента по строке и минимального элемента по столбцу, в которых размещена данная нулевая клетка. Сама она при этом не учитывается. Найденные ранее di и dj не учитываются. Полученную оценку записываем рядом с нулем, в скобках.
Таблица 6
И так по всем нулевым клеткам:
Таблица 7
7. редукция матрицы
Выбираем нулевую клетку с наибольшей оценкой. Заменяем ее на «М». Мы нашли один из отрезков пути. Выписываем его (от какого города к какому движемся, в нашем примере от 4-ого к 2-му).
Таблица 8
Ту строку и тот столбец, где образовалось две «М» полностью вычеркиваем. В клетку соответствующую обратному пути ставим еще одну букву «М» (т.к. мы уже не будем возвращаться обратно).
Таблица 9
8. если полный путь еще не найден, переходим к пункту 2, если найден к пункту 9
Если мы еще не нашли все отрезки пути, то возвращаемся ко 2-му пункту и вновь ищем минимумы по строкам и столбцам, проводим их редукцию, считаем оценки нулевых клеток и т.д.
Если все отрезки пути найдены (или найдены еще не все отрезков, но оставшаяся часть пути очевидна) – переходим к пункту 9.
9. вычисление итоговой длины пути и построение маршрута
Найдя все отрезки пути, остается только соединить их между собой и рассчитать общую длину пути (стоимость поездки по этому маршруту, затраченное время и т.д.). Длины дорог соединяющих города берем из самой первой таблицы с исходными данными.
В нашем примере маршрут получился следующий: 4 → 2 → 3 → 1 → 4.
Общая длина пути: L = 30.
Заключение
В данной работе мы познакомились с основными понятиями теории графов, дали представление о задаче коммивояжера, описали основные методы оптимизации метод. Также привели пример использования метода ветвей и границ для решения задачи коммивояжера.
Еще раз отметим, что задача коммивояжера является одной из самых важнейших задач в теории графов. Возможность представления различных производственных процессов на языке теории графов и умение решить сформулированную математическую задачу позволяют найти оптимальную стратегию ведения хозяйства, сэкономить ресурсы, выполнить поставленную задачу в более короткие сроки.
Список использованной литературы
1. Кирсанов М.Н. «Графы в Maple», М. Физматлит, 2007.
2. Зыков А.А. «Основы теории графов», М. «Вузовская книга», 2014
3. Уилсон Р. «Введение в теорию графов», М. «Мир», 2010
4. Берж К. "Теория графов и ее применение", М., ИЛ, 2008;
5. Гарднер М. "Математические досуги", М. "Мир", 2009(глава 35);
6. "В помощь учителю математики", Йошкар-Ола, 2011 (ст. "Изучение элементов теории графов");
7. Олехник С.Н., Нестеренко Ю.В., Потапов М.К. "Старинные занимательные задачи", М. "Наука", 2008;
8. Гарднер М. "Математические головоломки и развлечения", М. "Мир",2012;
9. Оре О. "Графы и их применения", М. "Мир", 2011;
10. Зыков А.А. "Теория конечных графов", Новосибирск, "Наука", 2009;
11. Реньи А., "Трилогия о математике", М., "Мир", 2010.
Размещено на Allbest.ru