證明哈密頓路徑問題在理論計算機科學(TOC)中是NP完全的


哈密頓環是一個沿著圖G的n條邊的環路路徑,它訪問每個頂點一次並返回到其起始頂點。

示例

下面是一個哈密頓環路路徑的示例:

哈密頓環路路徑:1,2,8,7,6,5,4,3,1

旅行商問題是NP完全的

旅行商問題(TSP)有一個銷售員和一組城市。銷售員需要從某個城市出發,訪問每個城市一次,然後返回到同一個城市,即回到起始位置。這個問題的挑戰在於,旅行商希望最小化總行程長度。

證明

為了證明TSP是NP完全的,首先嚐試證明TSP屬於非確定性多項式(NP)類。

在TSP中,我們必須找到一個巡迴路線,並檢查該巡迴路線是否包含每個頂點一次。

然後,我們計算巡迴路線的邊的總成本。最後,我們檢查成本是否最小。這可以在多項式時間內完成。

因此,TSP屬於NP類。

接下來,我們必須證明TSP是NP難的。

為了證明這一點,一種方法是證明哈密頓圈問題 ≤p TSP(因為我們知道哈密頓圈問題是NP完全的)。

假設G = (V, E)是哈密頓圈問題的一個例項。

因此,構造了一個TSP例項。我們可以建立一個完全圖G' = (V, E'),其中

E′={(i,j):i,j∈Vandi≠j
Thus, the cost function is defined as follows:
t(i,j)= 0 if (i,j) ∈ E
   =1 otherwise

現在,假設在G中存在哈密頓圈H。G'中H的每條邊的成本為0,因為每條邊都屬於E。因此,H在G'中的成本為0。因此,如果圖G具有哈密頓圈,則圖G'具有成本為0的巡迴路線。

現在讓我們假設G'具有成本最多為0的巡迴路線H'。根據定義,E'中邊的成本為0和1。因此,由於H'的成本為0,每條邊的成本必須為0。我們最終得出結論,H'只包含E中的邊。

最終證明了:當且僅當G'具有成本最多為0的巡迴路線時,G才具有哈密頓圈。因此,TSP是NP完全的。

更新於:2021年6月14日

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