CSCI3160 L18 旅行商问题的树遍历近似
课程:CSCI3160 Design and Analysis of Algorithms 本讲:L18 旅行商问题的树遍历近似 · 原件 L18-Approximation-02-Traveling-Salesma-未核-隐藏.pdf(本地课件) p.1–12 定位:用 MST 下界、加倍树边和三角不等式串起二倍保证。
p.1–3:三个输入条件都要记住【新】
p.1 为标题。p.2 输入为完全无向图、非负边权、满足三角不等式;Hamiltonian cycle 访问每个顶点恰一次并回到起点。p.3 说明即使有这些条件仍是 NP-hard。
p.2
图(p.2):五点完全图,讲义最优环 a→c→d→b→e→a。元素:边权分别1、3、4、2、4,总14。看什么:绕过中间点时有直达边,而且直达不更贵,这分别使用完全图与三角不等式。
原图 10 条无向边完整权重为 ab=6、ac=1、ad=4、ae=4、bc=5、bd=4、be=2、cd=3、ce=4、de=6。任意方向走同一条边,权重相同。
p.4–6:先造一个容易控制成本的闭合走法
p.4 近似比指返回环长度至多 。p.5 先求 MST。图中树边 ca=1、cd=3、ce=4、eb=2,总10。p.6 每条树边来回各一次,DFS 下行和回溯即能在线性时间得到闭合走法 c,a,c,d,c,e,b,e,c,长20。
它还不是 Hamiltonian cycle,因为 c、e 重复,但长度已经准确等于两倍树权。
p.7–9:跳过重复点
p.7 “If v has not been seen before, append v to σ.”
顺着闭合走法保留第一次出现的顶点,最后补回起点。p.8 从 c,a,c,d,c,e,b,e,c 得 c,a,d,e,b,c。其权重1+4+6+2+5=18;p.9 声称这个算法具有二倍保证。18不是原例最优14,但不超过保证28,甚至不超过两倍MST的20。
跳过并不是删掉一段后把两端当作同一点;必须用原完全图中两端的直接边连接。
补充:把第一次出现列表与闭合回路区别开。 扫描原例走法 c,a,c,d,c,e,b,e,c,维护已见集合:第一次见 c、a、d、e、b 时依次写入,重复的 c、e 跳过。此时只有开放列表 c,a,d,e,b,尚未返回起点;还必须加边 b→c,才是合法环。最后返回 c 不受“每点只出现一次”的字面阻止,因为环的起终点重复是表示法所必需。
自测:没有三角不等式,shortcut 仍然不会变贵吗?
自取三点,ab=1、bc=1、ac=100。绕过 b 将 a→b→c 的长度 2 换成直边 ac 的 100,费用暴增。MST 仍可照常求,双倍树遍历仍等于两倍树权,但从重复走法到 Hamilton 环的那一步失去了成本保证。图若不完全,直边甚至可能不存在。
近似证书应按不同对象写:输出环、树的双倍闭合走法、MST、未知最优环。不能把一个具体可行环的 14 或 18 当作未经证明的全局下界。原例已知最优 14来自原材料;算法一般分析则依靠 MST 下界,不需要先知道 OPT 的数值。
p.10–12:三段不等式分别用什么
p.10 从最优环删一条边得到生成树,非负边保证删后不更贵,MST又不比这棵树贵,所以 。p.11 每树边恰走两遍,所以 。p.12 对每次 shortcut,反复应用三角不等式,直达边不超过被跳过那段路径;分段相加得 。因此
p.12 的求和证明可以保留全部索引而不靠图理解。设原走法为 ,保留位置为
对第 j 段反复使用三角不等式,有
这些区间首尾相接而不重叠,覆盖原走法的全部边,所以对 j 从 1 加到 |V|,右侧恰是原走法总长,没有漏算或重复计算。算法时间由 MST 主导;树遍历与已见标记扫描均 O(|V|),例如稠密图 Prim 可使整体 O(|V|²)。
图中的 c→a→c→d 段变为 c→a→d,a→d 权4恰等于 a→c→d 的1+3;b→e→c 变 b→c,权5不超过2+4=6。每次局部比较都有依据。讲义末行 wk+1 应按上下文读作顶点 uk+1。
只需访问指定点的期末题见附录 A1。
本讲核心考点
- (C 级 通识)三角不等式用在 shortcut,不用在 MST 算法本身。
- (C 级 通识)写出 MST 下界→加倍→shortcut 的完整证明。
- (A 级:Final-2024T1 Q8)用最短路度量闭包推广到指定顶点的往返访问。
附录
A1 作业/往年题演练(非讲义内容):Final-2024T1 第 8 题
题面(Final-2024T1-缺判断-题目.pdf · Problem 8 · p.5;扫描件,视觉读取;公式按原题重排)
p.5 “Problem 8 (10 marks). Consider an undirected simple graph G = (V,E), where each edge is associated with a positive weight, referred to as the length of the edge.”
“Let S be a subset of V, which includes a source vertex denoted as s, and k other destination vertices, where k is an integer satisfying . Define an S-round-trip walk as a walk that starts from s, visits every destination vertex of S at least once (the order by which those vertices are visited does not matter), and then ends at s. Recall that a walk is a vertex sequence , where is an edge in E for all . The length of the walk equals the total length of all the edges traversed. For example, consider G to be the following graph. If S has source vertex d and k = 2 destination vertices a and g, then an S-round-trip walk is dabcdgfed, whose length is 6 + 1 + 1 + 2 + 1 + 2 + 1 + 5 = 19.”
“Design an algorithm to find an S-round-trip walk with length at most 2 · OPT, where OPT is the minimum length of all round-trip walks. Your algorithm's running time must be polynomial in . You do not need to prove your algorithm's correctness, but you do need to analyze its running time.”
图(题面,p.5):九点正权无向图。 元素:边ab=1、ad=6、bc=1、cd=2、ce=10、de=5、ef=1、fg=2、dg=1、dh=3、gh=1、gi=1、fi=2。 看什么:只有a、d、g是本例必须访问的终端;其他点允许作为最短路中转。
题源:Final-2024T1-缺判断-题目.pdf(本地课件) p.5 Q8。正权无向图,给定源点 s 和 k 个须访问的点;要求从 s 出发、访问它们并返回 s 的多项式时间二倍近似,允许重复顶点和边。
对终端集合 R(含 s)计算两两最短距离,构成完全图。最短距离满足三角不等式;若终端不可达,先报告无可行往返。求这个完全图的 MST,双向遍历其边,再把每条虚拟边展开为原图最短路径,即得到可行往返,成本为2MST。任意原图最优往返按终端访问次序投影到度量闭包,成本不会增大;删边得到终端生成树,所以MST≤原OPT,二倍保证成立。允许重复时不必额外 shortcut。
原题图 s=d、须到 a,g。d 到 a 的最短路 d→c→b→a 长2+1+1=4,d 到 g 长1,a 到 g 长5。终端 MST 权5,加倍得原图路线 d→c→b→a→b→c→d→g→d,长10。题中长19的走法只是可行示例,不能当作OPT。
以二叉堆 Dijkstra 计算距离需要 ,终端完全图 MST 还需至多 ,均为多项式。
来源与证据
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本次逐页复核:2026-10-13,依据上述本地课件;保留已发布深化内容,页码指 PDF 物理页。历史考试演练保留其原有出处,本次不将旧记录冒充重新阅卷。
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原件:L18-Approximation-02-Traveling-Salesma-未核-隐藏.pdf(本地课件);页码均为 PDF 页号。
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版本记录(2026-09-17):当时从教师官网下载并逐字节核对,与本地原件一致;此日期不是本次重新联网核验。原始学期未核,不据网页学期补猜。
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发布状态(2026-09-17 核验时):官网链接所在行隐藏,当时按预习参考处理;不据此推断后续发布或考试范围。
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既有考试证据记录(2026-09-17):当时读取了教师官网、Midterm-2021T1-题目.pdf、Midterm-2021T1-题解.pdf、Review-Quiz-2020T2-题目.pdf、Review-Quiz-2020T2-题解.pdf、Quiz-01-2025T1-题解.pdf、Midterm-A-2025T1-缺题干-解答.pdf、Quiz-02-2025T1-缺题干-解答.pdf、Quiz-03-2025T1-缺题干-解答.pdf、Final-2021T1-题解.pdf、Final-2024T1-缺判断-题目.pdf、Final-2025T1-题目.pdf、Final-2025T1-缺题干-解答.pdf;未识别用途的 PDF:无
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