Shtayner daraxti muammosi - Steiner tree problem

Uch ball uchun Shtayner daraxti A, Bva C (o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri aloqalar yo'qligiga e'tibor bering A, B, C). Shtaynerning fikri S da joylashgan Fermat nuqtasi ning uchburchak ABC.
To'rt ball uchun echim - ikkita Shtayner nuqtasi bor, S1 va S2

The Shtayner daraxti muammosi, yoki minimal Shtayner daraxti muammosinomi bilan nomlangan Yakob Shtayner, bu soyabon muddati muammolari sinfi uchun kombinatorial optimallashtirish. Shtayner daraxti muammolari bir qator parametrlarda shakllantirilishi mumkin bo'lsa-da, ularning barchasi ma'lum ob'ektlar to'plami va oldindan aniqlangan maqsad funktsiyasi uchun maqbul o'zaro bog'liqlikni talab qiladi. Ko'pincha Shtayner daraxti muammosi atamasi bilan sinonim sifatida ishlatiladigan taniqli variantlardan biri bu Grafalardagi Shtayner daraxti muammosi. Berilgan yo'naltirilmagan grafik odatda salbiy deb nomlanadigan chekka og'irliklar va tepaliklar to'plami bilan terminallar, grafikalardagi Shtayner daraxti muammosi a ni talab qiladi daraxt barcha terminallarni o'z ichiga olgan minimal og'irlik (lekin qo'shimcha tepaliklarni ham o'z ichiga olishi mumkin). Boshqa taniqli variantlar quyidagicha Evklid Shtayner daraxti muammosi va to'g'ri chiziqli minimal Shtayner daraxti muammosi.

Grafalardagi Shtayner daraxti muammosini yana ikkita mashhur kombinatorial optimallashtirish muammolarini umumlashtirish sifatida ko'rish mumkin: (manfiy bo'lmagan) eng qisqa yo'l muammosi va minimal daraxtlar muammosi. Agar grafikalardagi Shtayner daraxti muammosida to'liq ikkita terminal mavjud bo'lsa, u eng qisqa yo'lni topishga kamayadi. Agar boshqa tepaliklar terminallar bo'lsa, grafikalardagi Shtayner daraxti muammosi minimal uzunlikdagi daraxtga tengdir. Ammo, manfiy bo'lmagan eng qisqa yo'l ham, minimal uzunlikdagi daraxt muammosi ham polinom vaqtida echilishi mumkin, ammo qaror varianti grafikalardagi Shtayner daraxti muammosi To'liq emas (bu optimallashtirish varianti ekanligini anglatadi Qattiq-qattiq ); aslida, qaror varianti orasida edi Karpning asl 21 ta to'liq muammolari. Grafalardagi Shtayner daraxti muammosi dasturlarda mavjud elektron tartibi yoki tarmoq dizayni. Biroq, amaliy dasturlar odatda turli xillikni talab qiladi, shuning uchun ko'plab Shtayner daraxti muammolari variantlari paydo bo'ladi.

Shtayner daraxti muammosining aksariyat versiyalari Qattiq-qattiq, lekin ba'zi bir cheklangan holatlar hal qilinishi mumkin polinom vaqti. Pessimizm yomon holatdagi murakkablikka qaramay, Shtayner daraxti muammolarining bir nechta variantlari, shu jumladan grafikalardagi Shtayner daraxti muammosi va to'g'ri chiziqli Shtayner daraxti muammosi, hatto katta miqyosdagi real muammolar uchun ham amalda samarali echilishi mumkin.[1][2]

Evklid Shtayner daraxti

Bilan muntazam ko'pburchaklarning minimal Shtayner daraxtlari N = 3 dan 8 gacha. Tarmoqning eng past uzunligi L uchun N > 5 - bu aylana bir tomonga kamroq. Kvadratchalar Shtayner nuqtalarini ifodalaydi.

Asl muammo, deb tanilgan shaklda bayon qilingan Evklid Shtayner daraxti muammosi yoki geometrik Shtayner daraxti muammosi: Berilgan N nuqtalari samolyot, maqsadi ularni har qanday ikkita nuqta o'zaro bog'lanishi mumkin bo'lgan tarzda eng kam umumiy uzunlikdagi chiziqlar bilan bog'lashdir chiziq segmentlari to'g'ridan-to'g'ri yoki boshqasi orqali ochkolar va chiziq segmentlari. Birlashtiruvchi chiziq segmentlari so'nggi nuqtalardan tashqari bir-birini kesib o'tmasligi va daraxt hosil qilishi ko'rsatilishi mumkin, shuning uchun masalaning nomi.

Muammo N = 3 uzoq vaqtdan beri ko'rib chiqilgan va tezda a ni topish muammosiga qadar kengaytirilgan yulduzlar tarmog'i barchasiga ulanadigan bitta markaz bilan N minimal uzunlikdagi ballar, ammo shunga qaramay, Shtayner daraxti bo'yicha to'liq muammo maktubda bayon qilingan Gauss, uning birinchi jiddiy muomalasi 1934 yilda Chexiyada yozilgan maqolada bo'lgan Voytech Jarnik va Milosh Kössler [CS ]. Ushbu maqola uzoq vaqtdan beri e'tibordan chetda qoldirilgan, ammo keyinchalik u boshqa tadqiqotchilarga tegishli bo'lgan "Shtayner daraxtlarining deyarli barcha umumiy xususiyatlarini" o'z ichiga oladi, shu jumladan muammoni tekislikdan yuqori o'lchamlarga qadar umumlashtirish.[3]

Evklid Shtayner muammosi uchun grafaga qo'shilgan fikrlar (Shtayner ishora qilmoqda ) bo'lishi kerak daraja uchta, va shunday nuqtaga tushgan uchta qirralarning uchta 120 daraja burchagi bo'lishi kerak (qarang) Fermat nuqtasi ). Bundan kelib chiqadiki, Shtayner daraxti bo'lishi mumkin bo'lgan Shtayner punktlarining maksimal soni N - 2, qaerda N berilgan ballarning boshlang'ich soni.

Uchun N = 3 ikkita mumkin bo'lgan holatlar mavjud: agar berilgan nuqtalar hosil qilgan uchburchakning barcha burchaklari 120 darajadan past bo'lsa, eritma Shtayner nuqtasida berilgan Fermat nuqtasi; aks holda eritma uchburchakning 120 yoki undan ortiq daraja burchak bilan to'qnashgan ikki tomoni tomonidan beriladi.

Umuman olganda N, Evklid Shtayner daraxti muammosi Qattiq-qattiq va shuning uchun an yoki yo'qligi ma'lum emas optimal echim dan foydalanib topish mumkin polinom-vaqt algoritmi. Biroq, a polinom-vaqtni taxminiy sxemasi Evklid Shtayner daraxtlari uchun (PTAS), ya'ni a optimalga yaqin eritmani polinom vaqtida topish mumkin.[4] Evklid Shtayner daraxti muammosi NP bilan to'la bo'lganligi ma'lum emas, chunki NP murakkabligi sinfiga a'zolik ma'lum emas.

To'rtburchak Shtayner daraxti

To'g'ri chiziqli Shtayner daraxti muammosi tekislikdagi geometrik Shtayner daraxti muammosining variantidir, unda Evklid masofasi bilan almashtiriladi to'g'ri chiziqli masofa. Muammo jismoniy dizayn ning elektron dizaynni avtomatlashtirish. Yilda VLSI davrlari, simli marshrutlash ko'pincha vertikal va gorizontal yo'nalishda harakat qilish uchun ko'pincha dizayn qoidalari bilan cheklangan simlar tomonidan amalga oshiriladi, shuning uchun to'g'ri chiziqli Shtayner daraxti muammosidan ikkitadan ortiq terminali bo'lgan tarmoqlarning marshrutini modellashtirish uchun foydalanish mumkin.[5]

Shtayner daraxti grafikalar va variantlarda

Shtayner daraxtlari keng doirada o'rganilgan vaznli grafikalar. Prototip, shubhasiz, Shtayner daraxti muammosi grafiklarda. Ruxsat bering G = (VE) manfiy bo'lmagan chekka og'irliklari c va let bilan yo'naltirilmagan grafik bo'ling S ⊆ V deb nomlangan tepaliklarning pastki qismi bo'lishi mumkin terminallar. A Shtayner daraxti - bu daraxt G bu oraliq S. Muammoning ikkita versiyasi mavjud: ichida optimallashtirish muammosi Shtayner daraxtlari bilan bog'langan holda, eng kam og'irlikdagi Shtayner daraxtini topish vazifasi; ichida qaror muammosi chekka og'irliklar butun son bo'lib, vazifasi shayner daraxti mavjudligini, uning umumiy og'irligi oldindan belgilanganidan oshmasligini aniqlashdir. tabiiy son k. Qaror bilan bog'liq muammolardan biri Karpning 21 ta NP-ning to'liq muammolari; shuning uchun optimallashtirish muammosi Qattiq-qattiq.

Ushbu muammoning alohida holati qachon bo'ladi G a to'liq grafik, har bir tepalik v ∈ V a nuqtasiga to'g'ri keladi metrik bo'shliq va chekka og'irliklar w(e) har biriga e ∈ E kosmosdagi masofalarga mos keladi. Aks holda qo'ying, chekka og'irliklar uchburchak tengsizligi. Ushbu variant metrik Shtayner daraxti muammosi. (Metrik bo'lmagan) Shtayner daraxti muammosining bir nusxasini hisobga olgan holda, biz uni polinom vaqtida metrik Shtayner daraxti muammosining ekvivalentiga aylantira olamiz; transformatsiya taxminiy omilni saqlab qoladi.[6]

Evklid versiyasi PTASni qabul qilgan bo'lsa-da, metrik Shtayner daraxti muammosi ma'lum APX tugadi ya'ni, agar bo'lmasa P = NP, polinom vaqtida o'zboshimchalik bilan 1 ga yaqin bo'lgan taxminiy nisbatlarga erishish mumkin emas. Ko'p polinom-vaqt algoritmi mavjud taxminiy minimal Shtayner daraxti faktorgacha ;[7]ammo, bir omil ichida taxminiy NP-qattiq.[8] 1 va 2 masofalardagi Shtayner daraxti muammosining cheklangan holati uchun 1,25 ga yaqinlashuv algoritmi ma'lum.[9] Karpinski va Aleksandr Zelikovskiy Steiner Tree muammolarining zich holatlari uchun PTAS qurdi.[10]

Grafika muammosining maxsus holatida Shtayner daraxti muammosi kvazibipartit grafikalar, S har bir chekkaning kamida bitta so'nggi nuqtasini qo'shishi kerak G.

Shtayner daraxti muammosi yuqori o'lchamlarda va turli sirtlarda ham o'rganilgan. Sfera, torus, va Shtayner minimal daraxtini topish algoritmlari topilgan. proektsion tekislik, keng va tor konuslar va boshqalar.[11]

Shtayner daraxti muammosining boshqa umumlashtirilishi k- chetga ulangan Shtayner tarmog'idagi muammo va k-vertex-ga ulangan Steiner tarmog'idagi muammo, bu erda maqsadni topish k- chekka bilan bog'langan grafik yoki a k- vertex bilan bog'liq grafik har qanday bog'liq grafikdan ko'ra.

Shtayner muammosi, shuningdek, metrik bo'shliqlarning umumiy sharoitida va ehtimol cheksiz ko'p nuqtalarda ko'rsatilgan.[12]

Shtayner daraxtini yaqinlashtirish

Umumiy grafika Shtayner daraxti muammosini terminal tepaliklar tomonidan indikatsiya qilingan grafika metrik yopilishining pastki chizig'idagi minimal daraxt daraxtini hisoblash orqali taxmin qilish mumkin. Grafikning metrik yopilishi G bu har bir chekka tugunlar orasidagi eng qisqa masofa bilan tortilgan to'liq grafik G. Ushbu algoritm og'irligi 2 - 2 / gacha bo'lgan daraxtni hosil qiladit qaerda optimal Shtayner daraxti og'irligi omili t - optimal Shtayner daraxtidagi barglar soni; buni eng yaxshi Shtayner daraxtida sayohat qiluvchi sotuvchi sayohatini ko'rib chiqish orqali isbotlash mumkin. Taxminan echim hisoblash mumkin polinom vaqti birinchi navbatda barcha juftliklar eng qisqa yo'llar muammosi metrik yopilishini hisoblash uchun, keyin esa minimal daraxtlar muammosi.

Bir qator maqolalar 2 - 2 / ga yaxshilangan taxminiy nisbatlar bilan minimal Shtayner daraxti muammosi uchun taxminiy algoritmlarni taqdim etdi.t nisbat. Ushbu ketma-ketlik 2000 yilda Robins va Zelikovskiy algoritmi bilan avjiga chiqdi, bu esa minimal xarajat terminali daraxtiga qarab takroriy takomillashtirish orqali nisbatni 1,55 ga oshirdi. Ammo yaqinda, Jaroslav Byrka va boshq. isbotlangan chiziqli dasturiy gevşeme va takroriy, tasodifiy yaxlitlash deb nomlangan usul yordamida taxminiy hisoblash.[7]

Shtayner daraxtining parametrlangan murakkabligi

Umumiy grafik Shtayner daraxti muammosi ma'lum belgilangan parametrlarni boshqarish mumkin, Dreyfus-Vagner algoritmi bo'yicha parametr sifatida terminallar soni bilan.[13][14] Dreyfus-Vagner algoritmining ishlash vaqti , qayerda bu grafaning tepaliklari soni va - bu terminallar to'plami. Tezroq algoritmlar mavjud, ishlaydi har qanday vaqt yoki kichik vaznda bo'lsa, vaqt, qayerda har qanday qirralarning maksimal og'irligi.[15][16] Yuqorida aytib o'tilgan algoritmlarning kamchiligi shundaki, ulardan foydalanish eksponent faza; ishlaydigan polinom-kosmik algoritmlari mavjud vaqt va vaqt.[17][18]

Ma'lumki, umumiy grafika Shtayner daraxti muammosida ishlaydigan parametrlangan algoritm mavjud emas har qanday vaqt , qayerda eng yaxshi Shtayner daraxtining chekkalari soni, agar bo'lmasa Muqova muammosini o'rnating ichida ishlaydigan algoritm mavjud ba'zilar uchun vaqt , qayerda va elementlarning soni va to'plamlarning soni, mos ravishda, to'plam qopqog'i muammosining nusxasi.[19]Bundan tashqari, muammo a ni tan olmasligi ma'lum polinom yadrosi agar bo'lmasa , hatto optimal Shtayner daraxtining chekkalari soni bo'yicha parametrlangan va agar barcha chekka og'irliklari 1 ga teng bo'lsa.[20]

Shtayner nisbati

The Shtayner nisbati bo'ladi supremum Evklid tekisligidagi nuqtalar to'plami uchun minimal uzunlikdagi daraxtning umumiy uzunligining minimal Shtayner daraxtiga nisbati.[21]

Evklid Shtayner daraxti muammosida Shtayner nisbati taxmin qilingan , uch nuqtada erishilgan nisbati teng qirrali uchburchak uchburchakning ikki tomonini ishlatadigan yoyilgan daraxt va uchburchakning tsentroidi orqali nuqtalarni bog'laydigan Shtayner daraxti bilan. Oldingi dalil talablariga qaramay,[22] gumon hali ham ochiq.[23] Eng yaxshi qabul qilingan yuqori chegara muammo uchun 1.2134, tomonidan Chung va Grem (1985).

To'g'ri chiziqli Shtayner daraxti muammosi uchun Shtayner nisbati to'liq , kvadratning uch tomonini ishlatadigan yoyilgan daraxt va kvadratning o'rtasi orqali nuqtalarni birlashtirgan Shtayner daraxti bilan to'rtburchakda to'rtburchak bilan erishiladigan nisbat.[24] Aniqrog'i, uchun masofani kvadrat tomonga burish kerak koordinata o'qlariga nisbatan, uchun esa masofa kvadrat o'qga to'g'ri kelishi kerak.

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ "Polzin va Vahdati Daneshmandning ma'ruzasi" (PDF). Olingan 11 noyabr 2016.
  2. ^ Yuhl va boshq. (2014).
  3. ^ Korte, Bernxard; Neshetil, Jaroslav (2001), "Vojtech Jarnikning kombinatorial optimallashtirishdagi faoliyati", Diskret matematika, 235 (1–3): 1–17, doi:10.1016 / S0012-365X (00) 00256-9, hdl:10338.dmlcz / 500662, JANOB  1829832.
  4. ^ Crescenzi va boshq. (2000).
  5. ^ Shervani (1993), p. 228.
  6. ^ Vazirani (2003), 27-28 betlar.
  7. ^ a b Byrka va boshq. (2010).
  8. ^ Chlebik va Chlebikova (2008).
  9. ^ Berman, Karpinski va Zelikovskiy (2009).
  10. ^ Karpinski va Zelikovskiy (1998).
  11. ^ Smit va Qish (1995), p. 361.
  12. ^ Paolini va Stepanov (2012).
  13. ^ Dreyfus va Vagner.
  14. ^ Levin.
  15. ^ Fuchs va boshq.
  16. ^ Byorklund va boshq.
  17. ^ Lokshtanov va Nederlof.
  18. ^ Fomin va boshq.
  19. ^ Cygan va boshq.
  20. ^ Dom, Lokshtanov va Saurabh.
  21. ^ Ganli (2004).
  22. ^ New York Times gazetasi, 1990 yil 30 oktyabr, dalil topilganligini va shu haqida xabar berdi Ronald Grem, dalil uchun 500 dollar taklif qilgan, mualliflarga chekni pochta orqali jo'natmoqchi bo'lgan.
  23. ^ Ivanov va Tujilin (2012).
  24. ^ Xvan (1976).

Adabiyotlar

Tashqi havolalar