Приблизительный 1d TSP с линейными сравнениями?


21

O(nlog⁡n)1+O(n−c)cO(n)(max−min)n−(c+1)его первоначального значения, а затем используйте основную сортировку. Но модели с округлением имеют проблематичную теорию сложности, и это заставило меня задуматься, а как насчет более слабых моделей вычислений?

Итак, насколько точно может быть аппроксимирован одномерный TSP в модели вычисления с линейным деревом сравнения (каждый узел сравнения проверяет знак линейной функции входных значений) алгоритмом, сложность которого по времени равна ? Тот же метод округления позволяет достичь любого отношения аппроксимации в форме (с помощью бинарного поиска для округления и округления гораздо более грубого, чтобы сделать его достаточно быстрым). Но возможно ли достичь даже отношения аппроксимации, такого как для некоторого ?o(nlog⁡n)n1−o(1)O(n1−ϵ)ϵ>0


Я не знаком с 1D TSP. Вы можете это определить?
— Тайсон Уильямс

4
@ Тайсон Уильямс: проблема пути 1D коммивояжера является частным случаем евклидовой задачи о пути коммивояжера, когда все города находятся на оси х. Или формально вам дано n действительных чисел a_1,…, a_n, и ваша цель - вывести перестановку π: {1,…, n} → {1,…, n} так, чтобы ∑_ {i = 1} ^ {n − 1} | a_ {π (i)} - a_ {π (i + 1)} | сводится к минимуму
— Tsuyoshi Ito

Ответы:


10

РЕДАКТИРОВАТЬ (ОБНОВЛЕНИЕ): Нижняя граница в моем ответе ниже была доказана (другим доказательством) в «О сложности приближения евклидовых туров коммивояжера и минимального охвата деревьев», Das et al; Algorithmica 19: 447-460 (1997).


Можно ли достичь даже отношения аппроксимации, например, для некоторого за времени, используя алгоритм сравнения?O(n1−ϵ)ϵ>0o(nlog⁡n)

Нет. Вот нижняя граница.

Запрос. Для любого каждого алгоритма аппроксимации на основе сравнения требуется сравнение в худшем случае.ϵ>0n1−ϵΩ(ϵnlog⁡n)

Под «сравнением» я подразумеваю любой алгоритм, который запрашивает входные данные только с помощью двоичных (True / False) запросов.

Вот попытка доказательства. Надеюсь, ошибок нет. Впрочем, нижняя граница, вероятно, распространяется на рандомизированные алгоритмы.


Зафиксируйте любое и любое сколь угодно маленькое, но постоянное .ϵ > 0nϵ>0

Рассмотрим тольковходные экземпляры "перестановки" которые являются перестановками . Оптимальное решение для любого такого случая имеет стоимость .( x 1 , x 2 , … , x n ) [ n ] n - 1n!(x1,x2,…,xn)[n]n−1

Определите стоимость перестановки как, Смоделируйте алгоритм так, чтобы он принимал в качестве входных данных перестановку , выводил перестановку и оплачивал стоимость .c ( π ) = ∑ i | π ( i + 1 ) - π ( i ) | π π ′ d ( π , π ′ ) = c ( π ′ ∘ π )πc(π)=∑i|π(i+1)−π(i)|ππ′d(π,π′)=c(π′∘π)

Определите как минимальное количество сравнений для любого алгоритма, основанного на сравнении, для достижения конкурентного отношения в этих случаях. Поскольку opt равен , алгоритм должен гарантировать стоимость не более .n 1 - ϵ n - 1 n 2 - ϵCn1−ϵn−1n2−ϵ

Мы покажем .C≥Ω(ϵnlog⁡n)

Определите чтобы для любого возможного вывода доля возможных входов, для которых выход достиг бы стоимости, не превышала . Эта фракция не зависит от .π ′ π ′ n 2 - ϵ π ′Pπ′π′n2−ϵπ′

π cP также равняется вероятности того, что для случайной перестановки ее стоимость не превосходит . (Чтобы понять почему, в качестве тождественной перестановки примем . Тогда - это доля входных данных, для которых не более , но .)πп 2 - & epsi ; л ' Я Р д ( л , я ) п 2 - & epsi ; г ( л , я ) = C ( л )c(π)n2−ϵπ′IPd(π,I)n2−ϵd(π,I)=c(π)

Лемма 1. .C≥log2⁡1/P

Доказательство. Исправьте любой алгоритм, который всегда использует меньше чем сравнений. Дерево решений для алгоритма имеет глубину меньше , поэтому число листов меньше , и для некоторой выходной перестановки алгоритм выдает качестве выходных данных для более чем доля входов. По определению , по крайней мере для одного такого входа, вывод дает стоимость, превышающую . QEDlog 2 1 / P 1 / P π ′ π ′ P P π ′ n 2 - ϵlog2⁡1/Plog2⁡1/P1/Pπ′π′PPπ′n2−ϵ

Лемма 2. .P≤exp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n))

Прежде чем дать доказательство леммы 2, обратите внимание, что две леммы вместе дают утверждение:

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

Доказательство леммы 2. Пусть - случайная перестановка. Напомним, что равно вероятности того, что его стоимость не превосходит . Скажем, что любая пара является ребром со стоимостью, поэтому - сумма затрат на ребро.P c ( π ) n 2 - ϵ ( i , i + 1 ) | π ( i + 1 ) - π ( i ) | с ( π )πPc(π)n2−ϵ(i,i+1)|π(i+1)−π(i)|c(π)

Предположим, что .c(π)≤n2−ϵ

Тогда для любого не более ребер будут стоить или больше. Скажите , что края стоимости меньше , чем являются дешево .n 2 - ϵ / q q qq>0n2−ϵ/qqq

Исправьте . Подстановка и упрощение не более ребер недешевы. n 1 - ϵ / 2q=n1−ϵ/2n1−ϵ/2

Таким образом, по крайней мере ребер дешевы. Таким образом, существует множество содержащее дешевых ребер.S n / 2n−n1−ϵ/2≥n/2Sn/2

Запрос. Для любого заданного множества из ребер вероятность того, что все ребра в дешевые, не .п / 2 S ехр ( - Ω ( ε п войти п ) )Sn/2Sexp⁡(−Ω(ϵnlog⁡n))

Прежде чем доказать утверждение, отметим, что оно подразумевает следующую лемму. По претензии и наивным союза , связанного, вероятность того, что какие -то там существует такое множество самое большее ( нS≤ ехр ( О ( п ) - Ω ( ε п войти п ) ) ≤ ехр ( - Q , ( ε п лог п ) ) .

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

Доказательство претензии. Выберите следующим процессом. Выберите равномерно из , затем выберите равномерно из , затем выберите равномерно из и т. д.π ( 1 ) [ n ]ππ(1)[n]π(2)[n]−{π(1)}π(3)[n]−{π(1),π(2)}

Рассмотрим любое ребро в . Рассмотрим время сразу после того, как было выбрано, когда собирается быть выбранным. Независимо от первого выбора (для для ), существует по крайней мере вариантов для и не более из них. выбор даст стоимость края меньше, чем (что делает его дешевым).S π ( i ) π ( i + 1 ) i π ( j ) j ≤ i(i,i+1)Sπ(i)π(i+1)iπ(j)j≤in−iπ(i+1)2n1−ϵ/2(i,i+1)n1−ϵ/2

Таким образом, при условии первого выбора вероятность того, что ребро дешево, не превосходит . Таким образом, вероятность того, что все ребра в дешевые, не Поскольку , в есть не менее ребер с . Таким образом, этот продукт не более i2n1−ϵ/2n−in/2S| S

∏(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)).

QED


6
PS Я получил запрос, чтобы сделать это цитируемым, поэтому я положил его на arvix.org здесь .
— Нил Янг
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.