旅行推销员问题

旅行推销员问题(通常称为TSP)是计算机科学和运筹学领域的一个经典算法问题。它的重点是优化。在这种情况下,更好的解决方案通常意味着一个更便宜、更短或更快的解决方案。TSP是一个数学问题。它最容易表达为一个描述一组节点位置的

旅行推销员问题是由爱尔兰数学家W.R.汉密尔顿和英国数学家托马斯-柯克曼在19世纪定义的。汉密尔顿的Icosian游戏是一个基于寻找汉密尔顿周期的娱乐难题。TSP的一般形式似乎是在20世纪30年代由数学家在维也纳和哈佛大学首先研究的,特别是卡尔-门格尔。Menger定义了这个问题,考虑了明显的蛮力算法,并观察到最近的邻居启发式的非最优性。

我们用信使问题来表示(因为在实践中这个问题应该由每个邮递员解决,反正也是由许多旅行者解决),任务是为已知对向距离的无穷多的点找到连接这些点的最短路线。当然,这个问题是可以通过有限的试验来解决的。而将试验次数推到给定点的排列组合次数以下的规则,则是未知的。首先应该从起点到最近的点,然后再到离此点最近的点,等等规则,在一般情况下,不能得出最短的路线。

普林斯顿大学的哈斯勒-惠特尼在不久后就提出了旅行推销员问题的名称。

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William Rowan Hamilton

一个推销员想走访所有的城市,A、B、C、D,最好的办法是什么(机票最便宜,旅行时间最少)?Zoom
一个推销员想走访所有的城市,A、B、C、D,最好的办法是什么(机票最便宜,旅行时间最少)?

一个销售人员访问德国15个最大城市的最佳路线。所示路线是43,589,145,600条可能路线中最短的一条。Zoom
一个销售人员访问德国15个最大城市的最佳路线。所示路线是43,589,145,600条可能路线中最短的一条。

说明问题

旅行推销员问题描述了一个推销员必须在N个城市之间旅行。他并不关心旅行的顺序,只要他在旅途中每到一个城市一次,并在他最初的地方结束。每座城市都通过飞机公路或铁路与其他邻近的城市或节点相连。每个城市之间的连接都有一个或多个权重(或成本)。成本描述了在图上穿越这条边的"难度",可以用飞机票或火车票的成本来表示,也可以用边的长度或完成穿越所需的时间来表示。销售员既要把旅行成本,也要把他的旅行距离尽可能地降低。

旅行推销员问题是一大类"硬"优化问题的典型,多年来一直吸引着数学家和计算机科学家。最重要的是,它在科学和工程领域有应用。例如,在电路板的制造过程中,确定激光器钻数千个孔的最佳顺序是很重要的。这个问题的有效解决可以降低制造商的生产成本。

难度

一般来说,旅行推销员问题很难解决。如果有办法把这个问题分解成更小的组件问题,这些组件至少会和原来的问题一样复杂。这就是计算机科学家所说的NP-hard问题。

很多人都研究过这个问题。最简单(也是最昂贵的解决方案)是简单地尝试所有的可能性。问题是,对于N个城市,你有(N-1)种可能性。这意味着,对于只有10个城市,有超过18万种组合可供尝试(因为起始城市是确定的,所以在其余9个城市可以有换乘)。我们只计算一半,因为每条路线都有一条长度或成本相同的反向路线。9!/ 2 = 181 440

  • 使用分支和边界算法,可以找到问题的精确解决方案。目前可以为多达85,900个城市提供这种解决方案。
  • 启发式方法使用一套指导规则来选择下一个节点。但是由于启发式方法的结果是近似的,所以它们并不总是能给出最优的解决方案,尽管高质量的可接受的启发式方法可以在完全粗暴地解决问题所需时间的一小部分内找到有用的解决方案。一个节点启发式的例子是对一个连接的节点"附近"有多少未访问的节点进行汇总。这可以鼓励销售员在转到图中的另一个自然簇之前,先访问一组相邻的节点簇。参见蒙特卡洛算法拉斯维加斯算法

问题和答案

问:什么是旅行推销员问题?
答:旅行推销员问题(TSP)是计算机科学和运筹学领域的一个经典算法问题。它的重点是优化,更好的解决方案往往意味着更便宜、更短或更快的解决方案。

问:TSP是如何表达的?
答:TSP最容易被表达为描述一组节点位置的图。

问:谁首先定义了TSP?
答:旅行推销员问题是由爱尔兰数学家W.R.Hamilton和英国数学家Thomas Kirkman在19世纪定义的。

问:在20世纪30年代,谁进一步研究了它?
答:在20世纪30年代,维也纳和哈佛的数学家卡尔-门格尔进一步研究了它。

问:哈斯勒-惠特尼不久后又介绍了什么?
答:普林斯顿大学的哈斯勒-惠特尼在其定义后不久就提出了 "旅行推销员问题 "这一名称。

问:在这种情况下,"更好的解决方案 "是什么意思?
答:在这种情况下,更好的解决方案通常意味着更便宜、更短或更快的解决方案。

问:门格尔在研究TSP时认为什么算法是明显的?
答:门格尔在研究TSP时认为明显的粗暴算法,并观察到使用近邻启发式并不总能得到最佳结果。

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