CSCI3160 Special 12:顶点覆盖、随机子句与 TSP
原件:Sp12 题目(本地课件) p.1–2,两幅无向图均已视觉核对。 每题先题解后解析,所有解法为自行推导。
Problem 1:顶点覆盖的三问(p.1)
题解
(a)最小覆盖大小3,例如{a,d,e}。(b)算法可能返回4点:先选边ab,再选df,得到{a,b,d,f}。(c)也可能返回6点:依次选ab、cd、ef。
具体解析
原图边为ab、ac、bd、cd、de、df、ef。集合{a,d,e}覆盖它们全部;另一方面ab、cd、ef是三条两两不共端点的匹配边,每条至少要一个不同覆盖点,所以任何覆盖至少3,最优值确为3。
课堂算法每次选剩余边的两个端点并删除其所有关联边。选ab后剩cd、de、df、ef;若再选df,所有剩余边都被覆盖,输出4点。若改选cd,剩ef,再选其两端,输出全部6点。答案不唯一是算法允许任意选边导致的,不是计算错误。
不能由“最优3”断言算法不可能输出4:算法输出数为2×某个极大匹配大小,并不保证匹配最大,也不保证覆盖最小。
Problem 2:任意非空独立变量子句至少一半概率为真(p.1)
题解
若子句含k≥1个不同变量上的literal,每个literal为假的概率1/2,且独立。OR只有全部假才为假,所以为真概率 。
具体解析
否定literal与正literal都一样公平:x均匀时¬x也均匀。不同变量保证这些真假事件独立,故可相乘。k=1取到下界1/2;k=3得到7/8。
题目“任意数量”需理解为至少一个。若允许空子句,空OR为假,概率0,命题不成立,应补非空条件。不能把“每个事件概率1/2”单独当作独立性的理由;同一变量重复出现会破坏乘积计算。
变量重复时,至少一半与精确概率要分开。 补充子句 的真概率是 ,不是 ; 恒真,真概率为 1。重复变量让三次独立抛硬币的乘法失效,却没有推翻“非空子句至少一半”的较弱结论:任选其中一个 literal,其为真时整句一定为真,已提供概率 的事件。
自测:两个子句共享变量,还能把各自满足概率相加得到期望满足数吗?
可以。设每个子句的满足指示量为 ,则 不要求子句间独立。独立性仅在计算某个子句内部“所有 literal 都假”的乘积时使用,不是期望线性的前提。
Problem 3:在五点图上执行二倍TSP算法(p.1)
题解
取MST边ac(2)、cd(3)、db(2)、be(2),总权重9。沿路径形MST往返的游走为a,c,d,b,e,b,d,c,a;跳过重复顶点得环a,c,d,b,e,a,总代价13,是本图的最优环,也当然满足二倍保证。
具体解析
原图十条边:ab=5、ac=2、ad=3、ae=4、bc=4、bd=2、be=2、cd=3、ce=4、de=3。权重2的三条边全部可选,连接成{a,c}与{b,d,e}两个分量;再选任意可连通两分量的最轻权重3边,例如cd,得到MST9。
沿树每边往返一次代价18;shortcut后环权重2+3+2+2+4=13。原图满足三角不等式,所以shortcut不增加长度。MST≤OPT,故输出≤18≤2OPT,已足够证明要求;额外枚举固定a的24个排列核验最优值为13,不依赖这个枚举来证明一般二倍界。
有些最轻边和平局选择可以产生另一棵MST或另一个环,本题不规定唯一输出。必须给出具体树、游走和删重复后的环,不能只列总长度。
Problem 4:线性时间产生树的往返游走(p.1)
题解
任选根DFS:首次到节点时输出它;每次递归一个孩子返回后,再输出当前节点。这样每条树边下行一次、上行一次,总时间O(n),输出序列2n−1个顶点。
具体解析
Walk(u,parent):
输出u
对u的每个邻居v,若v≠parent:
Walk(v,u)
输出u
树无环,跳过父节点足以防止返回边触发重复递归。遍历用邻接表,不要每次扫描全部顶点来找孩子。根r有孩子a、b时,输出r,a,r,b,r;只输出首次到达会得到r,a,b,但a到b未必有树边,不能叫作原树游走。
Problem 5:欧氏TSP二倍近似(p.1–2)
题解
把每个输入点作顶点,任意两点间连欧氏距离权重,形成完整图。求MST、沿树往返,再按首次访问顺序shortcut成环。输出点顺序连接的线段,总长度≤2OPT。
具体解析
最优环删去任意一条边是生成路径,MST不比它更重,所以w(T)≤OPT。树往返长度2w(T)。欧氏距离满足三角不等式,一次用直接线段跳过中间点不会增加长度;逐次删重复,仍访问每个输入点恰好一次,再回起点,得到合法题目所定义的线段环。
自取单位正方形四角,MST可取三条边总长3;往返长6,shortcut可得外圈长4,最优也为4。二倍是最坏保证,不要求每例刚好比值2。
构造O(n²)边,MST和遍历都是多项式;题目明确允许距离多项式时间计算。n=1可返回零长度退化闭行程,若严格要求非退化环则另限定n≥3,不影响一般构造。
来源与证据
Sp12 p.1–2。两幅图的边集、覆盖下界和TSP数值已独立核验。