NP-полнота задач о гамильтоновом цикле и пути в графах — различия между версиями
(→Доказательство необходимости) |
|||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
==Задача о гамильтоновом цикле в графе== | ==Задача о гамильтоновом цикле в графе== | ||
{{Определение | {{Определение | ||
| − | |definition = '''<math>\mathrm{[U]HAM}</math>''' {{---}} | + | |definition = '''<math>\mathrm{[U]HAM}</math>''' {{---}} язык графов, содержащих [ориентированный] [[Гамильтоновы графы#Основные определения|гамильтонов цикл]]. |
}} | }} | ||
===Доказательство NP-полноты для неориентированного графа=== | ===Доказательство NP-полноты для неориентированного графа=== | ||
| Строка 15: | Строка 15: | ||
Сведем задачу о выполнимости булевых формул вида [[3CNFSAT | <math>\mathrm{3CNF}</math>]] к <math>\mathrm{HAM}</math>. Начнем построение экземпляра <math>\mathrm{HAM}</math> по булевой формуле в [[3CNFSAT | <math>\mathrm{3CNF}</math>]]. Пусть формула имеет вид <math>E = e_1 \land e_2 \land \ldots \land e_k</math>, где каждое <math>e_i</math> {{---}} дизъюнкт, представляющий собой сумму трех литералов, скажем, <math>e_i = (\alpha_{i1} \vee \alpha_{i2} \vee \alpha_{i3})</math>. Пусть <math>x_1, x_2, \ldots, x_n</math> {{---}} переменные в формуле <math>E</math>. Для всех дизъюнктов и переменных строятся подграфы, как показано на рисунках. | Сведем задачу о выполнимости булевых формул вида [[3CNFSAT | <math>\mathrm{3CNF}</math>]] к <math>\mathrm{HAM}</math>. Начнем построение экземпляра <math>\mathrm{HAM}</math> по булевой формуле в [[3CNFSAT | <math>\mathrm{3CNF}</math>]]. Пусть формула имеет вид <math>E = e_1 \land e_2 \land \ldots \land e_k</math>, где каждое <math>e_i</math> {{---}} дизъюнкт, представляющий собой сумму трех литералов, скажем, <math>e_i = (\alpha_{i1} \vee \alpha_{i2} \vee \alpha_{i3})</math>. Пусть <math>x_1, x_2, \ldots, x_n</math> {{---}} переменные в формуле <math>E</math>. Для всех дизъюнктов и переменных строятся подграфы, как показано на рисунках. | ||
| − | Для каждой переменной <math>x_i</math> строится подграф <math>H_i</math>, структура которого показана на рисунке 1. Здесь <math>m_i</math> {{---}} большее из чисел вхождений <math>\bar{x_i}</math> и <math>x_i</math> в <math>E</math>. Узлы <math>c_{ij}</math> и <math>b_{ij}</math>, расположенные в двух столбцах, соединены между собой дугами в обоих направлениях. Кроме того, каждое <math>b</math> имеет дугу, ведущую в <math>c</math>, расположенное на ступеньку ниже, т.е., если <math>j < m_i</math>, то <math>b_{ij}</math> имеет дугу, ведущую в <math>c_{i,j+1}</math>. Аналогично для <math>c_{ij}</math>. Наконец, есть верхний узел <math>a_i</math>, из которого дуги ведут в <math>b_{i0}</math> и <math>c_{i0}</math>, и нижний узел <math>d_i</math>, в который ведут дуги из <math>b_{im_i}</math> и <math>c_{im_i}</math>. | + | Для каждой переменной <math>x_i</math> строится подграф <math>H_i</math> высотой <math>m_i + 2</math>, структура которого показана на рисунке 1. Здесь <math>m_i</math> {{---}} большее из чисел вхождений <math>\bar{x_i}</math> и <math>x_i</math> в <math>E</math>. Узлы <math>c_{ij}</math> и <math>b_{ij}</math>, расположенные в двух столбцах, соединены между собой дугами в обоих направлениях. Кроме того, каждое <math>b</math> имеет дугу, ведущую в <math>c</math>, расположенное на ступеньку ниже, т.е., если <math>j < m_i</math>, то <math>b_{ij}</math> имеет дугу, ведущую в <math>c_{i,j+1}</math>. Аналогично для <math>c_{ij}</math>. Наконец, есть верхний узел <math>a_i</math>, из которого дуги ведут в <math>b_{i0}</math> и <math>c_{i0}</math>, и нижний узел <math>d_i</math>, в который ведут дуги из <math>b_{im_i}</math> и <math>c_{im_i}</math>. |
На рисунке 2 показана структура графа в целом. Каждый пятиугольник представляет один подграф, построенный для переменной (его структура показана на рисунке 1. пятиугольники расположены циклически, и из нижнего узла каждого подграфа дуга ведет в верхний узел следующего. | На рисунке 2 показана структура графа в целом. Каждый пятиугольник представляет один подграф, построенный для переменной (его структура показана на рисунке 1. пятиугольники расположены циклически, и из нижнего узла каждого подграфа дуга ведет в верхний узел следующего. | ||
| Строка 70: | Строка 70: | ||
==Задача о гамильтоновом пути в графе== | ==Задача о гамильтоновом пути в графе== | ||
{{Определение | {{Определение | ||
| − | |definition = '''<math>\mathrm{[U]HAMP}</math>''' {{---}} | + | |definition = '''<math>\mathrm{[U]HAMP}</math>''' {{---}} язык графов, содержащих [ориентированный] [[Гамильтоновы графы#Основные определения|гамильтонов путь]]. |
}} | }} | ||
| Строка 98: | Строка 98: | ||
* [[3CNFSAT]] | * [[3CNFSAT]] | ||
* [[Примеры NP-полных языков]] | * [[Примеры NP-полных языков]] | ||
| + | * [[Гамильтоновы графы#Задача о коммивояжере | Задача о коммивояжере]] | ||
==Источники информации== | ==Источники информации== | ||
Версия 14:09, 6 апреля 2016
Содержание
Задача о гамильтоновом цикле в графе
| Определение: |
| — язык графов, содержащих [ориентированный] гамильтонов цикл. |
Доказательство NP-полноты для неориентированного графа
Для доказательства того, что , необходимо доказать два факта:
Доказательство принадлежности к NP
В качестве сертификата возьмем ориентированный гамильтонов цикл в графе . Очевидно, он удовлетворяет всем требованиям, налагаемым на сертификат. Проверяющая функция строится очевидным образом, работает за полиномиальное от размера входа время.
Доказательство принадлежности к NPH
Сведем задачу о выполнимости булевых формул вида к . Начнем построение экземпляра по булевой формуле в . Пусть формула имеет вид , где каждое — дизъюнкт, представляющий собой сумму трех литералов, скажем, . Пусть — переменные в формуле . Для всех дизъюнктов и переменных строятся подграфы, как показано на рисунках.
Для каждой переменной строится подграф высотой , структура которого показана на рисунке 1. Здесь — большее из чисел вхождений и в . Узлы и , расположенные в двух столбцах, соединены между собой дугами в обоих направлениях. Кроме того, каждое имеет дугу, ведущую в , расположенное на ступеньку ниже, т.е., если , то имеет дугу, ведущую в . Аналогично для . Наконец, есть верхний узел , из которого дуги ведут в и , и нижний узел , в который ведут дуги из и .
На рисунке 2 показана структура графа в целом. Каждый пятиугольник представляет один подграф, построенный для переменной (его структура показана на рисунке 1. пятиугольники расположены циклически, и из нижнего узла каждого подграфа дуга ведет в верхний узел следующего.
Допустим, граф на рисунке 2 имеет ориентированный гамильтонов цикл. Не ограничивая общности, можно считать, что этот цикл начинается в . Если затем он переходит в , то на следующем шаге он обязательно перейдет в (иначе не появится в цикле). В самом деле, если цикл переходит из в , а затем — в , то никогда не появится в цикле, поскольку оба его предшественника ( и ) уже содержатся в нем.
Таким образом, если начало цикла имеет вид , , то далее он должен спускаться "лесенкой", переходя из стороны в сторону:
.
Если начало цикла имеет вид , , то в лесенке меняется порядок предшествования и .
.
Решающим пунктом в доказательстве является то, что порядок, при котором спуск совершается от к , можно трактовать как приписывание переменной, соответствующей данному подграфу, значения "истина", а порядок, при котором спуск совершается от к , соответствует приписыванию этой переменной значения "ложь".
Закончив обход подграфа , цикл должен перейти в , где снова возникает выбор следующего перехода — в или в . Однако в силу тех же аргументов, которые приведены для , после того, как сделан выбор направления вправо или влево от , путь обхода уже зафиксирован. Вообще, при входе в каждый , есть выбор перехода влево или вправо, но никакого другого. Иначе некоторый узел обречен быть недоступным, т.е. он не сможет появиться в ориентированном гамильтоновом цикле, поскольку все его предшественники появились в нем ранее.
В дальнейшем это позволит нам считать, что выбор перехода из в означает приписывание переменной значения "истина", а перехода в — значения "ложь". Поэтому граф на рисунке 2 имеет ориентированных гамильтоновых циклов, соответствующих возможным подстановкам для переменных.
Однако на рисунке 2 изображен лишь скелет графа, порождаемого по формуле , находящейся в . Каждому дизъюнкту ставится в соответствие подграф (рисунок 3). Он обладает тем свойством, что если цикл входит в , то должен выходить из . Аналогично для и . В завершение построения графа для формулы соединяем подграфы и следующим образом. Допустим, у дизъюнкта первым литералом является , переменная без отрицания. Выберем некоторый узел , где от 0 до -1, ранее не использованный для соединения с подграфами . Введем дуги, ведущие из в и из в . Если же первым литералом дизъюнкта является отрицание , то нужно отыскать неиспользованный узел , а затем соединить с и с
Для второго и третьего литералов граф дополняется точно так же, за одним исключением. Для второго литерала и используются узлы и , а для третьего — и . Таким образом, каждый имеет три соединения с подграфами типа , которые представляют переменные, присутствующие в дизъюнкте . Если литерал не содержит отрицания, то соединение выходит из -узла и входит в -узел, расположенный ниже, а если содержит — то наоборот.
Мы утверждаем, что построенный таким образом граф имеет ориентированный гамильтонов цикл тогда и только тогда, когда формула выполнима.
Доказательство достаточности
Предположим, существует подстановка , удовлетворяющая формуле . Построим ориентированный гамильтонов цикл следующим образом.
- Вначале выберем путь, обходящий только подграфы (т.е. граф, изображенный на рисунке 2 в соответствии с подстановкой . Таким образом, если , то цикл переходит из в , а если , то он переходит из в .
- Однако цикл, построенный к данному моменту, может содержать дугу из в , причем у есть еще одна дуга в один из подграфов в , который пока не включен в цикл. Тогда к циклу добавляется "крюк", который начинается в , обходит все шесть узлов подграфа и возвращается в . Дуга из в исключается из цикла, но узлы на ее концах остаются в нем.
- Аналогично, если в цикле есть дуга из в и у есть еще одна дуга в один из , пока не включенных в цикл, то к циклу добавляется "крюк", проходящий через все шесть узлов .
Тот факт, что удовлетворяет формуле , гарантирует, что исходный путь, построенный на шаге 1, будет содержать, по крайней мере, одну дугу, которая на шаге 2 или 3 позволит включить в цикл подграф для каждого дизъюнкта . Таким образом, цикл включает в себя все подграфы и является ориентированным гамильтоновым.
Доказательство необходимости
Предположим, что граф имеет ориентированный гамильтонов цикл, и покажем, что формула выполнима. Напомним два важных пункта из предыдущего анализа.
- Если гамильтонов цикл входит в некоторый в узле , или , то он должен выходить из него в узле , или соответственно.
- Таким образом, рассматривая данный гамильтонов цикл как обход подграфов типа , можно характеризовать "экскурсию", совершаемую в некоторое , как переход цикла по дуге, "параллельной" одной из дуг или .
Если игнорировать экскурсии в подграфы , то гамильтонов цикл должен быть одним из циклов, которые возможны с использованием только подграфов и соответствуют выборам переходов из либо в , либо в . Каждый из этих выборов соответствует приписыванию значений переменным из . Если один из них дает гамильтонов цикл, включающий подграфы , то подстановка, соответствующая этому выбору, должна удовлетворять формуле .
Причина в том, что если цикл переходит из в , то экскурсия в может быть совершена только тогда, когда -й дизъюнкт содержит в качестве одного из литералов. Если цикл переходит из в , то экскурсия в может быть совершена только тогда, когда является литералом в -ом дизъюнкте. Таким образом, из того, что все подграфы могут быть включены в граф, следует, что при данной подстановке хотя бы один из литералов в каждом дизъюнкте истинен, т.е. формула выполнима.
Доказательство NP-полноты для ориентированного графа
Для доказательства того, что , необходимо доказать два факта:
Доказательство принадлежности к NP
В качестве сертификата возьмем гамильтонов цикл в графе . Очевидно, он удовлетворяет всем требованиям, налагаемым на сертификат. Проверяющая функция строится очевидным образом, работает за полиномиальное от размера входа время.
Доказательство принадлежности к NPH
Сведем задачу о гамильтоновом цикле к . Пусть дан ориентированный граф . Построим по нему неориентированный граф . Для этого каждой вершине из графа поставим в соответствие 3 вершины в графе , соединив в ребром первую получившуюся со второй, а вторую — с третьей. Для каждой дуги, инцидентной исходной вершине в поставим в соответствие ребро в . В случае, если дуга исходит из этой вершины, то соединим ребро с последней из получившихся вершин в , а если она входит в вершину, то соединим с первой из получившихся (см. рисунок 4). Таким образом, в построенном графе гамильтонов путь будет тогда и только тогда, когда в исходном графе будет ориентированный гамильтонов путь.
Задача о гамильтоновом пути в графе
| Определение: |
| — язык графов, содержащих [ориентированный] гамильтонов путь. |
Доказательство NP-полноты для ориентированного графа
Для доказательства того, что , необходимо доказать два факта:
Доказательство принадлежности к NP
В качестве сертификата возьмем ориентированный гамильтонов путь в графе . Очевидно, он удовлетворяет всем требованиям, налагаемым на сертификат. Проверяющая функция строится очевидным образом, работает за полиномиальное от размера входа время.
Доказательство принадлежности к NPH
Сведем задачу об ориентированном гамильтоновом цикле к . Пусть дан граф . Выберем произвольную вершину графа и раздвоим ее, и входящие дуги направим в одну из полученных вершин, а исходящие пустим из другой. Теперь, если в исходном графе был ориентированный гамильтонов цикл, то в полученном будет ориентированный гамильтонов путь. В обратную сторону, если в полученном графе будет ориентированный гамильтонов путь, то на первом и последнем местах в этом пути окажутся новые вершины, соответствующие раздвоенной, поскольку ни одна из них не может оказаться в середине пути (у неё есть либо входящие, либо исходящие дуги). Таким образом, если в полученном графе будет гамильтонов путь, то в исходном графе был гамильтонов цикл.
Доказательство NP-полноты для неориентированного графа
Для доказательства того, что , необходимо доказать два факта:
Доказательство принадлежности к NP
В качестве сертификата возьмем гамильтонов путь в графе . Очевидно, он удовлетворяет всем требованиям, налагаемым на сертификат. Проверяющая функция строится очевидным образом, работает за полиномиальное от размера входа время.
Доказательство принадлежности к NPH
Сведем задачу о гамильтоновом пути в ориентированном графе к . Пусть дан ориентированный граф . Построим по нему неориентированный граф . Для этого каждой вершине из графа поставим в соответствие 3 вершины в графе , соединив в ребром первую получившуюся со второй, а вторую — с третьей. Для каждой дуги, инцидентной исходной вершине в поставим в соответствие ребро в . В случае, если дуга исходит из этой вершины, то соединим ребро с последней из получившихся вершин в , а если она входит в вершину, то соединим с первой из получившихся. Таким образом, в построенном графе гамильтонов путь будет тогда и только тогда, когда в исходном графе будет ориентированный гамильтонов путь.
См. также
Источники информации
- Ахо, Альфред, В., Хопкрофт, Джон, Ульман, Джеффри, Д. "Структуры данных и алгоритмы" — Издательский дом «Вильямс», 2000. — С. 384. — ISBN 5-8459-0122-7 (рус.) / ISBN 0-201-00023-7 (англ.)
- Хопкрофт Дж., Мотвани Р., Ульман Дж. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. 2-е издание. — М.: Издательский дом "Вильямс", 2002. — 528 с. — ISBN 5-8459-0261-4 (рус.)z
