Problem ciągłej optymalizacji, który ogranicza się do TSP


11

Załóżmy, że mam podane skończony zbiór punktów w płaszczyźnie i poprosiła zwrócić krzywej dwukrotnie różniczkowalnymi C ( P ) przez P i jest tak, że jego obwód jest tak mała jak to możliwe. Zakładając, że p i = ( x i , y i ) oraz x i < x i + 1 , mogę sformalizować ten problem jako:p1,p2,..pnC(P)pipi=(xi,yi)xi<xi+1

Zadanie 1 (wydanej w odpowiedzi na uwagi Suresh'S) Określić funkcji x ( t ) , y ( t ) parametru T tak, że długość łuku L = ∫ [ t ∈ 0 , 1 ] √C2x(t),y(t)t jest zminimalizowane, przy czymx(0)=x1,x(1)=xn,a dla wszystkichti:x(ti)=ximamyy(ti)=yi).L=∫[t∈0,1]x′2+y′2dtx(0)=x1,x(1)=xnti:x(ti)=xiy(ti)=yi)

Jak udowodnić (lub obalić), że problem 1 jest trudny do NP?

Dlaczego podejrzewam twardość NP Załóżmy, że założenie jest złagodzone. Najwyraźniej funkcją minimalnego arclue jest trasa Traveling Salesman po p i . Być może ograniczenie C 2 tylko utrudnia problem?C2piC2

Kontekst Odmiana tego problemu została opublikowana na MSE . Nie otrzymał odpowiedzi zarówno tam, jak i na MO . Biorąc pod uwagę, że rozwiązanie problemu nie jest łatwe, chcę ustalić, jak trudne jest.


1
Ograniczenie, że wydaje się znacznie ułatwiać problem. W szczególności, jeśli teraz zrzucisz ograniczenie C 2 , dlaczego ten problem nie zostanie rozwiązany w sposób trywialny, ponieważ łączysz punkty prostymi liniami? xi<xi+1C2
— Suresh

1
To nie jest funkcja. Jeśli „zapętlisz się” od do p 2 , pod warunkiem, że x 1 < x 2 < x 3 , twoja krzywa będzie przecinać linię pionową dwa razy. p3p2x1<x2<x3
— Suresh

1
Nie jest jasne, musisz podać tutaj, co masz na myśli, określając. To nie jest standardowa terminologia. Nie jest to nawet problem decyzyjny, więc użycie terminu NP-hard nie ma sensu.
— Kaveh

1
@Suresh, czy możesz rozwinąć część wyjściową? Zgaduję, że masz na myśli wyprowadzenie nazwy klątwy z wymiennego zestawu krzywych. Zauważ, że w takim przypadku nie jest jasne, czy optymalna krzywa zawsze będzie pochodzić z tej klasy. Z drugiej strony, jeśli chcemy znaleźć najlepszy lub dobry między nimi (lub przybliżeniem do pewnego danego parametru do krzywej optymalnej), należy podać klasę krzywych parametrycznych, w przeciwnym razie pytanie będzie niepełne i nie będzie możliwe odpowiedział
— Kaveh

1
Dane wejściowe / wyjściowe nie są już obiektami skończonymi, np. Jeśli naprawdę masz do czynienia z liczbami rzeczywistymi / funkcjami, to masz większy problem. Każdy nieskończony obiekt otrzymuje nieskończona seria przybliżeń do zamierzonego obiektu. Strona sieci CCA zawiera więcej linków, jeśli jesteś zainteresowany.
— Kaveh

Odpowiedzi:


12

Wymóg różniczkowalności nie zmienia charakteru problemu: wymaganie (ciągłość) lub C ∞ (nieskończona odmienność) daje to samo dolne ograniczenie dla długości i tej samej kolejności punktów i jest równoważne rozwiązaniu problemu podróżującego sprzedawcy .C0C∞

Jeśli masz rozwiązanie TSP, masz krzywą która przechodzi przez wszystkie punkty. Odwrotnie, załóżmy, że masz C 0 krzywą skończonej długości, który przechodzi przez wszystkie punkty i niech p σ ( 1 ) , ... , p σ ( n ) jest kolejność, w jakiej ona przechodzi przez punkty i t 1 , ... , t n odpowiednie parametry (jeśli krzywa przemierza punkt więcej niż jeden raz, wybierz dowolną z możliwych wartości t ). Następnie krzywa zbudowana z n segmentów [C0C0pσ(1),…,pσ(n)t1,…,tntn[pσ(1),pσ(2)],…,[pσ(n−1),pσ(n)],[pσ(n),pσ(1)]jest krótsza, ponieważ dla każdego odcinka linia prosta jest krótsza niż jakakolwiek inna krzywa łącząca punkt. Zatem dla każdego uporządkowania punktów najlepszą krzywą jest rozwiązanie TSP, a rozwiązanie TSP zapewnia najlepsze uporządkowanie punktów.

Pokażmy teraz, że wymaganie, aby krzywa była (lub C k dla dowolnego k ), nie zmienia najlepszej kolejności punktów. Dla każdego rozwiązania TSP o całkowitej długości ℓ i dowolnym ϵ > 0 możemy zaokrąglić każdy narożnik, tj. Zbudować krzywą C ∞, która przecina punkty w tej samej kolejności i ma długość co najwyżej ℓ + ϵ (wyraźna konstrukcja opiera się na funkcje algebraiczne i e - 1 / t 2 do definiowania funkcji wypukłości oraz z tych płynnych połączeń między segmentami krzywej, takich jakC∞Ckkℓϵ>0C∞ℓ+ϵe−1/t2 który łączy się zy = 0 przy x = 0 oraz zy = x przy x = 1 ; wyraźne jest uciążliwe, ale można je obliczyć); stąd dolna granica dlakrzywej C ∞ jest taka sama jak dla zbioru segmentów (zauważ, że dolna granica nie jest ogólnie osiągana).e1−1/x2(x−e−1/(1−x)2)y=0x=0y=xx=1C∞


Jest to dokładnie argument Szukałem przez długi czas! Czy możesz podać odniesienie do żmudnej konstrukcji?
— PKG

1
Nie jest to całkowicie rygorystyczne, zwłaszcza że w płaszczyźnie można uzyskać dowolnie dobre przybliżenie do TSP w czasie wielomianowym.
— Suresh

Myślałem, że możesz zbliżyć TSP tylko w czasie 2 razy w czasie wielokrotnym?
— PKG

@PKG Konstrukcja prawdopodobnie ma nazwę, ale obawiam się, że moje klasy rachunku różniczkowego były zbyt dawno temu, żebym je zapamiętał. Właśnie pamiętam, że podstawowe połączenie nazywa się funkcją wypukłości.
— Gilles „SO- przestań być zły”

1
To nie jest błąd sam w sobie. Twoja redukcja jest przybliżona - do pewnego terminu błędu . Ma to znaczenie, ponieważ redukcja może być kosztowna (tj. Wykładnicza w 1 / ϵ ). Więc redukcja nie jest dokładna. @PKG można przybliżać TSP do współczynnika 3/2 w ogólnych przestrzeniach metrycznych i dowolnie zamykać (w zakresie 1 + ϵ ) w płaszczyźnie lub dowolnej przestrzeni euklidesowej. ϵ1/ϵ1+ϵ
— Suresh
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.