Примеры решений Теория игр Задача о назначениях Поток сети Транспортная задача Графический метод Решение дифф уравнений Симплексный метод Двойственная задача Параметры сетевой модели

Решение задачи коммивояжера

В задаче коммивояжера для формирования оптимального маршрута объезда n городов необходимо выбрать один лучший из (n-1)! вариантов по критерию времени, стоимости или длине маршрута. Эта задача связана с определением гамильтонова цикла минимальной длины. В таких случаях множество всех возможных решений следует представить в виде дерева - связного графа, не содержащего циклов и петель. Корень дерева объединяет все множество вариантов, а вершины дерева — это подмножества частично упорядоченных вариантов решений.

Назначение сервиса. С помощью сервиса можно проверить свое решение или получить новое решение задачи коммивояжёра двумя методами: методом ветвей и границ и венгерским методом.

Инструкция. Выберите размерность матрицы (количество городов). Полученное онлайн решение сохраняется в файле Word и Excel (см. пример решения задачи коммивояжера).
Количество городов

Математическая модель задачи коммивояжера

Сформулированная задача - задача целочисленная. Пусть хij=1, если путешественник переезжает из i-ого города в j-ый и хij=0, если это не так.
Формально введем (n+1) город, расположенный там же, где и первый город, т.е. расстояния от (n+1) города до любого другого, отличного от первого, равны расстояниям от первого города. При этом, если из первого города можно лишь выйти, то в (n+1) город можно лишь придти.
Введем дополнительные целые переменные, равные номеру посещения этого города на пути. u1=0, un+1=n. Для того, чтобы избежать замкнутых путей, выйти из первого города и вернуться в (n+1) введем дополнительные ограничения, связывающие переменные xij и переменные ui (ui целые неотрицательные числа).


ui-uj+nxij ≤ n-1, j=2..n+1, i=1..n, i≠j, при i=1 j≠n+1
0≤ui≤n, xin+1=xi1, i=2..n

Методы решения задачи коммивояжера

  1. метод ветвей и границ (алгоритм Литтла или исключения подциклов). Пример решения методом ветвей и границ;
  2. венгерский метод. Пример решения венгерским методом.

Алгоритм Литтла или исключения подциклов

  1. Операция редукции по строкам: в каждой строке матрицы находят минимальный элемент dmin и вычитают его из всех элементов соответствующей строки. Нижняя граница: H=∑dmin.
  2. Операция редукции по столбцам: в каждом столбце матрицы выбирают минимальный элемент dmin, и вычитают его из всех элементов соответствующего столбца. Нижняя граница: H=H+∑dmin.
  3. Константа приведения H является нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров.
  4. Поиск степеней нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого временно нули в матице заменяэт на знак «∞» и находят сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю.
  5. Выбирают дугу (i,j), для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения.
  6. Разбивают множество всех гамильтоновых контуров на два подмножества: подмножество гамильтоновых контуров содержащих дугу (i,j) и не содержащих ее (i*,j*). Для получения матрицы контуров, включающих дугу (i,j), вычеркивают в матрице строку i и столбец j. Чтобы не допустить образования негамильтонова контура, заменяют симметричный элемент (j,i) на знак «∞». Исключение дуги достигается заменой элемента в матрице на ∞.
  7. Проводят приведение матрицы гамильтоновых контуров с поиском констант приведения H(i,j) и H(i*,j*).
  8. Сравнивают нижние границы подмножества гамильтоновых контуров H(i,j) и H(i*,j*). Если H(i,j)<H(i*,j*), то дальнейшему ветвлению в первую очередь подлежит множество (i,j), иначе - разбиению подлежит множество (i*,j*).
  9. Если в результате ветвлений получается матрица (2x2), то определяют полученный ветвлением гамильтонов контур и его длину.
  10. Сравнивают длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей. Если длина контура не превышает их нижних границ, то задача решена. В противном случае развивают ветви подмножеств с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получится маршрут с меньшей длиной.

Пример. Решить по алгоритму Литтла задачу коммивояжера с матрицей

12345
1M2018128
25M14711
31218M611
4111711M12
55555M

Решение. Возьмем в качестве произвольного маршрута: X0 = (1,2);(2,3);(3,4);(4,5);(5,1). Тогда F(X0) = 20 + 14 + 6 + 12 + 5 = 57
Для определения нижней границы множества воспользуемся операцией редукции или приведения матрицы по строкам, для чего необходимо в каждой строке матрицы D найти минимальный элемент: di = min(j) dij
i j12345di
1M20181288
25M147115
31218M6116
4111711M1211
55555M5
Затем вычитаем di из элементов рассматриваемой строки. В связи с этим во вновь полученной матрице в каждой строке будет как минимум один ноль.
i j12345
1M121040
20M926
3612M05
4060M1
50000M
Такую же операцию редукции проводим по столбцам, для чего в каждом столбце находим минимальный элемент:
dj = min(i) dij
i j12345
1M121040
20M926
3612M05
4060M1
50000M
dj00000
После вычитания минимальных элементов получаем полностью редуцированную матрицу, где величины di и dj называются константами приведения.
i j12345
1M121040
20M926
3612M05
4060M1
50000M
Сумма констант приведения определяет нижнюю границу H: H = ∑di + ∑dj = 8+5+6+11+5+0+0+0+0+0 = 35
Элементы матрицы dij соответствуют расстоянию от пункта i до пункта j.
Поскольку в матрице n городов, то D является матрицей nxn с неотрицательными элементами dij ≥ 0
Каждый допустимый маршрут представляет собой цикл, по которому коммивояжер посещает город только один раз и возвращается в исходный город.
Длина маршрута определяется выражением: F(Mk) = ∑dij
Причем каждая строка и столбец входят в маршрут только один раз с элементом dij.
Шаг №1.
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.
i j12345di
1M121040(5)4
20(2)M9262
3612M0(5)55
40(0)60(0)M10
50(0)0(6)0(0)0(0)M0
dj060010
d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,3) = 0 + 0 = 0; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,2) = 0 + 6 = 6; d(5,3) = 0 + 0 = 0; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 6) = 6 для ребра (5,2), следовательно, множество разбивается на два подмножества (5,2) и (5*,2*).
Исключение ребра (5,2) проводим путем замены элемента d52 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (5*,2*), в результате получим редуцированную матрицу.
i j12345di
1M1210400
20M9260
3612M050
4060M10
50M00M0
dj060006
Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(5*,2*) = 35 + 6 = 41
Включение ребра (5,2) проводится путем исключения всех элементов 5-ой строки и 2-го столбца, в которой элемент d25 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (4 x 4), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:
i j1345di
1M10400
2092M0
36M050
400M10
dj00000
Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑di + ∑dj = 0
Нижняя граница подмножества (5,2) равна: H(5,2) = 35 + 0 = 35 ≤ 41
Поскольку нижняя граница этого подмножества (5,2) меньше, чем подмножества (5*,2*), то ребро (5,2) включаем в маршрут с новой границей H = 35
Шаг №2.
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.
i j1345di
1M1040(5)4
20(2)92M2
36M0(7)55
40(0)0(9)M10
dj09210
d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 2 = 7; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,3) = 0 + 9 = 9;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 9) = 9 для ребра (4,3), следовательно, множество разбивается на два подмножества (4,3) и (4*,3*).
Исключение ребра (4,3) проводим путем замены элемента d43 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (4*,3*), в результате получим редуцированную матрицу.
i j1345di
1M10400
2092M0
36M050
40MM10
dj09009
Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(4*,3*) = 35 + 9 = 44
Включение ребра (4,3) проводится путем исключения всех элементов 4-ой строки и 3-го столбца, в которой элемент d34 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (3 x 3), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:
i j145di
1M400
202M0
36M55
dj0207
Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑di + ∑dj = 7
Нижняя граница подмножества (4,3) равна: H(4,3) = 35 + 7 = 42 ≤ 44
Поскольку 42 > 41, исключаем подмножество (5,2) для дальнейшего ветвления.
Возвращаемся к прежнему плану X1.
План X1.
i j12345
1M121040
20M926
3612M05
4060M1
50M00M
Операция редукции.
i j12345
1M61040
20M926
366M05
4000M1
50M00M
Шаг №1.
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.
i j12345di
1M61040(5)4
20(2)M9262
366M0(5)55
40(0)0(6)0(0)M10
50(0)M0(0)0(0)M0
dj060010
d(1,5) = 4 + 1 = 5; d(2,1) = 2 + 0 = 2; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(4,1) = 0 + 0 = 0; d(4,2) = 0 + 6 = 6; d(4,3) = 0 + 0 = 0; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,3) = 0 + 0 = 0; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (0 + 6) = 6 для ребра (4,2), следовательно, множество разбивается на два подмножества (4,2) и (4*,2*).
Исключение ребра (4,2) проводим путем замены элемента d42 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (4*,2*), в результате получим редуцированную матрицу.
i j12345di
1M610400
20M9260
366M050
40M0M10
50M00M0
dj060006
Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(4*,2*) = 41 + 6 = 47
Включение ребра (4,2) проводится путем исключения всех элементов 4-ой строки и 2-го столбца, в которой элемент d24 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (4 x 4), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:
i j1345di
1M10400
209M60
36M050
5000M0
dj00000
Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑di + ∑dj = 0
Нижняя граница подмножества (4,2) равна: H(4,2) = 41 + 0 = 41 ≤ 47
Поскольку нижняя граница этого подмножества (4,2) меньше, чем подмножества (4*,2*), то ребро (4,2) включаем в маршрут с новой границей H = 41
Шаг №2.
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.
i j1345di
1M1040(9)4
20(6)9M66
36M0(5)55
50(0)0(9)0(0)M0
dj09050
d(1,5) = 4 + 5 = 9; d(2,1) = 6 + 0 = 6; d(3,4) = 5 + 0 = 5; d(5,1) = 0 + 0 = 0; d(5,3) = 0 + 9 = 9; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (4 + 5) = 9 для ребра (1,5), следовательно, множество разбивается на два подмножества (1,5) и (1*,5*).
Исключение ребра (1,5) проводим путем замены элемента d15 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (1*,5*), в результате получим редуцированную матрицу.
i j1345di
1M104M4
209M60
36M050
5000M0
dj00059
Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(1*,5*) = 41 + 9 = 50
Включение ребра (1,5) проводится путем исключения всех элементов 1-ой строки и 5-го столбца, в которой элемент d51 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (3 x 3), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:
i j134di
209M0
36M00
5M000
dj0000
Сумма констант приведения сокращенной матрицы: ∑di + ∑dj = 0
Нижняя граница подмножества (1,5) равна: H(1,5) = 41 + 0 = 41 ≤ 50
Поскольку нижняя граница этого подмножества (1,5) меньше, чем подмножества (1*,5*), то ребро (1,5) включаем в маршрут с новой границей H = 41
Шаг №3.
Определяем ребро ветвления и разобьем все множество маршрутов относительно этого ребра на два подмножества (i,j) и (i*,j*).
С этой целью для всех клеток матрицы с нулевыми элементами заменяем поочередно нули на М(бесконечность) и определяем для них сумму образовавшихся констант приведения, они приведены в скобках.
i j134di
20(15)9M9
36M0(6)6
5M0(9)0(0)0
dj6900
d(2,1) = 9 + 6 = 15; d(3,4) = 6 + 0 = 6; d(5,3) = 0 + 9 = 9; d(5,4) = 0 + 0 = 0;
Наибольшая сумма констант приведения равна (9 + 6) = 15 для ребра (2,1), следовательно, множество разбивается на два подмножества (2,1) и (2*,1*).
Исключение ребра (2,1) проводим путем замены элемента d21 = 0 на M, после чего осуществляем очередное приведение матрицы расстояний для образовавшегося подмножества (2*,1*), в результате получим редуцированную матрицу.
i j134di
2M9M9
36M00
5M000
dj60015
Нижняя граница гамильтоновых циклов этого подмножества: H(2*,1*) = 41 + 15 = 56
Включение ребра (2,1) проводится путем исключения всех элементов 2-ой строки и 1-го столбца, в которой элемент d12 заменяем на М, для исключения образования негамильтонова цикла.
В результате получим другую сокращенную матрицу (2 x 2), которая подлежит операции приведения.
После операции приведения сокращенная матрица будет иметь вид:
i j34di
3M00
5000
dj000
Сумма констант приведения сокращенной матрицы:
∑di + ∑dj = 0
Нижняя граница подмножества (2,1) равна: H(2,1) = 41 + 0 = 41 ≤ 56
Поскольку нижняя граница этого подмножества (2,1) меньше, чем подмножества (2*,1*), то ребро (2,1) включаем в маршрут с новой границей H = 41.
В соответствии с этой матрицей включаем в гамильтонов маршрут ребра (3,4) и (5,3).
В результате по дереву ветвлений гамильтонов цикл образуют ребра:
(4,2), (2,1), (1,5), (5,3), (3,4). Длина маршрута равна F(Mk) = 41

Дерево решений.

 1
Начало
 
                                              
     
 (5*,2*), H=41
 (5,2)
H = 35
 
                            
         
(4*,2*), H=47
 (4,2)
H = 41
 (4*,3*), H=44
 (4,3)
H = 42
                   
     
 (1*,5*), H=50
 (1,5)
H = 41
 
                    
     
 (2*,1*), H=56
 (2,1)
H = 41
 
              
     
 (3,4)
H = 41
 (3*,4*), H=41
 
          
     
 (5,3)
H = 41
 (5*,3*), H=41
 
 
ЕГЭ по математике
Yandex.Просвещение представляет бесплатные видеокурсы по ЕГЭ с возможностью прохождения тестов
Подробнее
Метод Гомори
Метод Гомори
Метод Гомори. Решение задачи целочисленного программирования
Решить онлайн
Транспортная задача
Используя метод минимального тарифа, представить первоначальный план для решения транспортной задачи. Проверить на оптимальность, используя метод потенциалов. Стоимость доставки единицы груза из каждого пункта отправления в соответствующие пункты назначения задана матрицей тарифов
1234b
112436
243858
3276310
a4688 
Решить онлайн