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關於TSP問題的嘗試和遐想
送交者: 秋念11 2024年06月10日16:53:18 於 [教育學術] 發送悄悄話

以TSP為代表的NP問題理論上沒有突破,也不會有突破。因為它不是真正的數學問題,所以沒啥好研究的。研究的論文鋪天蓋地,但是並沒有什麼理論價值。這不是數學理論問題,而比較像是應用數學問題,一個工程問題,甚至是一個軟件程序問題。理論討論沒有意義,有價值的僅僅是程序運行效果。

其次,我討論一下TSP及其相關的一類問題,如貨郎擔問題,哈密頓環,是不是完全圖,對稱性,有無權,搜索所有點(即不必回原點)等等。

雖然有種種差別,但為了便於討論,這裡僅僅討論如下情形:

完全圖,同時,非直接連接的兩個點(中間經過至少其他一個點)的距離,即兩個或更多點距離之和,一定大於這兩個點的直接距離。而如果約定是幾何距離的概念,無論是二維,是三維,也是確定的。即,如果給與每個點坐標,上述距離的關係一定成立。

但點連接的類TSP問題這一點不一定是必須的。另外,正規的TSP問題不允許重新訪問一個點,而符合上述幾何概念的對稱完全圖也沒有沒有必要回到一個點。但原則上,非完全圖,非幾何距離概念,也可能允許重複訪問。也可以對非完全圖做出相應的完全圖,一種是將不通兩點的距離當作無窮大。另外一種可行性比較好的做法是:如果允許重複訪問,那可以把兩點(或更多點)之間的距離(之和),當作這兩個點的直接距離。但根據筆者的實踐,如此將非完全圖完全化的處理,減少了信息量,對改進某些算法不利。

此外,對稱,有權。

TSP的算法琳琅滿目,最主要有遺傳,蟻群。但結果都不可重複,隨機,每次結果不同,顯然都是局優解,陷入其中不可自拔,不滿意結果只能從頭開始。貪心解法可重複,速度快,但是質量低。窮盡法只能用於點數很少的情況,計算量隨點數乘介的增加是其NP問題的原因。

但是如果不能窮盡,TSP原則上無法驗證最佳解。好壞只能在最後質量,需要時間等方面在各種方法比較中才顯出意義來。一個矛盾是在計算時間和質量之間取得平衡,就是說,通常時間長,質量會好一些。這在實踐上時間的限制對質量有了限制。就既可能因為每次結果不同而需要多試幾次,但有些運行參數可以幫助取這兩方面的平衡和取捨。

因為完全圖每一個點都有N-1條連線,在最理想情況下,只有最短(權重最低)的兩條被用上。如果最後結果和這個和相等,就完美了。但是對於完全隨機產生的數據里,這沒有可能。毫無疑問,最優解會分布在同這個和略微大於1的一個高斯分布上。根據我的經驗,這個比主要區間在1.1到1.2之間,大體是隨着點數,比如從30到3000,而慢慢增加。

筆者的方法是最慢加入法:隨機割掉一段,然後以最短的一個點加入,直到最後。這個方法有點類似遺傳法,因為結果不一定會比原來的結果好,但你一般總可以找到更好的結果,然後重複這個過程,直到你無論你如何切割,都不能得到更好的結果為止(得到局優解)。

這個算法中用到個點之間的距離,有N(N-1)/2條。如果N夠大(比如超過1000),這個計算需要一點時間(如果是比較弱的個人計算機)。但筆者辦法得到收斂,而且結果不錯,需要的時間也沒有多多少。幾千點也只需要若干小時。如果幾百,那就非常快,若干分鐘。

當然,貪心算法只需要若干秒,哪怕幾千點,但這個結果很差,只能作為筆者方法的起點。

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