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关于TSP问题的尝试和遐想
送交者: 秋念11 2024年06月10日16:53:18 于 [教育学术] 发送悄悄话

以TSP为代表的NP问题理论上没有突破,也不会有突破。因为它不是真正的数学问题,所以没啥好研究的。研究的论文铺天盖地,但是并没有什么理论价值。这不是数学理论问题,而比较像是应用数学问题,一个工程问题,甚至是一个软件程序问题。理论讨论没有意义,有价值的仅仅是程序运行效果。

其次,我讨论一下TSP及其相关的一类问题,如货郎担问题,哈密顿环,是不是完全图,对称性,有无权,搜索所有点(即不必回原点)等等。

虽然有种种差别,但为了便于讨论,这里仅仅讨论如下情形:

完全图,同时,非直接连接的两个点(中间经过至少其他一个点)的距离,即两个或更多点距离之和,一定大于这两个点的直接距离。而如果约定是几何距离的概念,无论是二维,是三维,也是确定的。即,如果给与每个点坐标,上述距离的关系一定成立。

但点连接的类TSP问题这一点不一定是必须的。另外,正规的TSP问题不允许重新访问一个点,而符合上述几何概念的对称完全图也没有没有必要回到一个点。但原则上,非完全图,非几何距离概念,也可能允许重复访问。也可以对非完全图做出相应的完全图,一种是将不通两点的距离当作无穷大。另外一种可行性比较好的做法是:如果允许重复访问,那可以把两点(或更多点)之间的距离(之和),当作这两个点的直接距离。但根据笔者的实践,如此将非完全图完全化的处理,减少了信息量,对改进某些算法不利。

此外,对称,有权。

TSP的算法琳琅满目,最主要有遗传,蚁群。但结果都不可重复,随机,每次结果不同,显然都是局优解,陷入其中不可自拔,不满意结果只能从头开始。贪心解法可重复,速度快,但是质量低。穷尽法只能用于点数很少的情况,计算量随点数乘介的增加是其NP问题的原因。

但是如果不能穷尽,TSP原则上无法验证最佳解。好坏只能在最后质量,需要时间等方面在各种方法比较中才显出意义来。一个矛盾是在计算时间和质量之间取得平衡,就是说,通常时间长,质量会好一些。这在实践上时间的限制对质量有了限制。就既可能因为每次结果不同而需要多试几次,但有些运行参数可以帮助取这两方面的平衡和取舍。

因为完全图每一个点都有N-1条连线,在最理想情况下,只有最短(权重最低)的两条被用上。如果最后结果和这个和相等,就完美了。但是对于完全随机产生的数据里,这没有可能。毫无疑问,最优解会分布在同这个和略微大于1的一个高斯分布上。根据我的经验,这个比主要区间在1.1到1.2之间,大体是随着点数,比如从30到3000,而慢慢增加。

笔者的方法是最慢加入法:随机割掉一段,然后以最短的一个点加入,直到最后。这个方法有点类似遗传法,因为结果不一定会比原来的结果好,但你一般总可以找到更好的结果,然后重复这个过程,直到你无论你如何切割,都不能得到更好的结果为止(得到局优解)。

这个算法中用到个点之间的距离,有N(N-1)/2条。如果N够大(比如超过1000),这个计算需要一点时间(如果是比较弱的个人计算机)。但笔者办法得到收敛,而且结果不错,需要的时间也没有多多少。几千点也只需要若干小时。如果几百,那就非常快,若干分钟。

当然,贪心算法只需要若干秒,哪怕几千点,但这个结果很差,只能作为笔者方法的起点。

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