具有线性比较的近似一维TSP?


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一维旅行推销员路径问题显然与排序相同,因此可以通过比较时间来精确解决,但它的表达方式既逼近又精确解决方案很有意义。在输入为实数且可以四舍五入为整数的计算模型中,对于任意常数,在时间,都很容易在因子内近似。:找到最小值和最大值,将所有内容四舍五入到其原始值之内的一个数字,然后使用基数排序。但是具有四舍五入的模型的复杂性理论存在问题,这使我想知道,较弱的计算模型又如何呢?O(nlog⁡n)1+O(n−c)cO(n)(max−min)n−(c+1)

因此,在计算的线性比较树模型中(每个比较节点测试输入值的线性函数的符号),时间复杂度为o(nlog⁡n)?相同的舍入方法可以实现n ^ {1-o(1)}形式的任何近似比率n1−o(1)(通过使用二进制搜索进行舍入,并进行更粗略的舍入以使其足够快)。但是,对于某些\ epsilon> 0,是否有可能甚至达到O(n ^ {1- \ epsilon})的近似值?O(n1−ϵ)ϵ>0


我对一维TSP不熟悉。你能定义吗?
— 泰森·威廉姆斯

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@泰森·威廉姆斯(Tyson Williams):一维旅行推销员路径问题是所有城市都在x轴上的欧几里德旅行推销员路径问题的特例。或正式地,给您n个实数a_1,…,a_n,并且您的目标是输出排列π:{1,…,n}→{1,…,n},使得∑_ {i = 1} ^ {n-1} | a_ {π(i)}-a_ {π(i + 1)} | 被最小化。
— 伊藤刚(Tsuyoshi Ito)

Answers:


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编辑(更新):Das等人在“关于近似欧几里德旅行推销员旅行和最小生成树的复杂性”中证明了我下面答案的下限(通过另一种证明);Algorithmica 19:447-460(1997)。


是否有可能使用基于比较的算法在时间内对达到近似的近似值,例如?O(n1−ϵ)ϵ>0o(nlog⁡n)

不,这是一个下限。

要求。 对于任何,在最坏的情况下,每种基于比较的 -逼近算法都需要比较。ϵ>0n1−ϵΩ(ϵnlog⁡n)

“基于比较”是指仅使用二进制(真/假)查询来查询输入的任何算法。

这是一个证明的尝试。希望没有错误。FWIW的下限似乎可能会扩展到随机算法。


固定任何和任意小但恒定的。ε > 0nϵ>0

考虑只是[permutation]输入实例 是排列。对于任何这样的实例,最佳解决方案的成本为。(x 1,x 2,… ,x n)[ n ] n − 1n!(x1,x2,…,xn)[n]n−1

将置换的成本定义 为。将算法建模为输入一个置换,输出一个置换,并支付成本。Ç (π )= Σ 我| π (我+ 1 )- π (我)| π π ' d (π ,π ')= c ^ (π ' ○ π )πc(π)=∑i|π(i+1)−π(i)|ππ′d(π,π′)=c(π′∘π)

将定义为任何基于比较的算法的最小比较次数,以在这些情况下达到竞争比。由于opt为,因此算法必须保证成本最多。n 1 − ϵ n − 1 n 2 − ϵCn1−ϵn−1n2−ϵ

我们将显示。C≥Ω(ϵnlog⁡n)

将定义为,对于任何可能的输出,对于输出 达到成本最多的可能输入的分数。此分数独立于。π ' π ' ñ 2 - ε π 'Pπ′π′n2−ϵπ′

π Ç (π )ñ 2 - ε π '我P d (π ,我)ñ 2 - ε d (π ,我)= c ^ (π )P还等于对于随机置换,其成本最多为的概率。(要了解为什么,将作为身份置换则是 最多,而。)πc(π)n2−ϵπ′IPd(π,I)n2−ϵd(π,I)=c(π)

引理1 。C≥log2⁡1/P

证明。修复所有总是使用少于比较的算法。该算法的决策树的深度小于,因此叶数少于,并且对于某些输出置换,该算法将作为大于输出输入的一部分。根据定义,对于至少一个这样的输入,输出成本大于。优质教育日志2 1 / P 1 / P π ' π ' P P π ' ñ 2 - εlog2⁡1/Plog2⁡1/P1/Pπ′π′PPπ′n2−ϵ

引理2. 。P≤exp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n))

在给出引理2的证明之前,请注意两个引理共同给出了要求:

C ≥ log2⁡1P = log2⁡exp⁡(Ω(ϵnlog⁡n)) = Ω(ϵnlog⁡n).

引理2的证明。 令为随机排列。回想一下,等于其成本最多为的概率。说,任何一对是一个边缘 与成本,因此是边缘成本的总和。P Ç (π )ñ 2 - ε(我,我+ 1 )| π (我+ 1 )- π (我)| c (π )πPc(π)n2−ϵ(i,i+1)|π(i+1)−π(i)|c(π)

假设。c(π)≤n2−ϵ

然后,对于任何,最多个边的成本为或更大。假设成本小于边很便宜。n 2 − ϵ / q q qq>0n2−ϵ/qqq

修正。替代和简化,最多个边缘并不便宜。 n 1 - ϵ / 2q=n1−ϵ/2n1−ϵ/2

因此,至少 的边缘便宜。因此,存在包含便宜边的集合小号Ñ / 2n−n1−ϵ/2≥n/2Sn/2

要求。 对于任何给定组的边,在所有边缘上的概率价格便宜为至多。Ñ / 2 小号EXP (- Ω (ε Ñ 登录Ñ ))Sn/2Sexp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n))

在我们证明该主张之前,请注意,它隐含了以下引理。根据要求和朴素的并集边界,存在任何这样的集合的概率 最大为 ( ñS≤ EXP (ø (Ñ )- Ω (ε Ñ 登录Ñ ))≤ EXP (- Ω (ε ñ 日志ñ ))。

(nn/2)exp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n)) ≤ 2nexp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n))
 ≤ exp⁡(O(n)−Ω(ϵnlog⁡n)) ≤ exp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n)).

索赔证明。通过以下过程 选择。从统一选择,然后从统一选择,然后从统一选择等。π[ Ñ ] π (2 )[ Ñ ] - { π (1 )} π (3 )[ Ñ ] - { π (1 ),π (2 )}π(1)[n]π(2)[n]−{π(1)}π(3)[n]−{π(1),π(2)}

考虑任何边缘中的。考虑时间刚过已被选择,当将要被选择的。不管第一的的选择(对于用于),有至少选择为,和至多的那些的选择将使边 成本小于(使其便宜)。š π (我)π (我+ 1 )我(i,i+1)Sπ(i)π(i+1)iĴ ≤ 我ñ - 我π (我+ 1 )2 Ñ 1 - ε / 2(我,我+ 1 )ñ 1 − ϵ / 2π(j)j≤in−iπ(i+1)2n1−ϵ/2(i,i+1)n1−ϵ/2

因此,根据第一个选择,边缘便宜的概率最多为。因此,中所有 边都便宜的概率最大为 由于,所以 中的至少有边。因此,此乘积最多为 2 n 1 − ϵ / 2i2n1−ϵ/2n−in/2S

∏(i,i+1)∈S2n1−ϵ/2n−i.
|S|≥n/2n/4Sn−i≥n/4
(2n1−ϵ/2n/4)n/4 ≤ (8n−ϵ/2)n/4 = exp⁡(O(n)−Ω(ϵnlog⁡n)) = exp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n)).

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— Neal Young
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