证明哈密顿路径问题在理论计算机科学(TOC)中是NP完全的


哈密顿环是一个沿着图G的n条边的环路路径,它访问每个顶点一次并返回到其起始顶点。

示例

下面是一个哈密顿环路路径的示例:

哈密顿环路路径:1,2,8,7,6,5,4,3,1

旅行商问题是NP完全的

旅行商问题(TSP)有一个销售员和一组城市。销售员需要从某个城市出发,访问每个城市一次,然后返回到同一个城市,即回到起始位置。这个问题的挑战在于,旅行商希望最小化总行程长度。

证明

为了证明TSP是NP完全的,首先尝试证明TSP属于非确定性多项式(NP)类。

在TSP中,我们必须找到一个巡回路线,并检查该巡回路线是否包含每个顶点一次。

然后,我们计算巡回路线的边的总成本。最后,我们检查成本是否最小。这可以在多项式时间内完成。

因此,TSP属于NP类。

接下来,我们必须证明TSP是NP难的。

为了证明这一点,一种方法是证明哈密顿圈问题 ≤p TSP(因为我们知道哈密顿圈问题是NP完全的)。

假设G = (V, E)是哈密顿圈问题的一个实例。

因此,构造了一个TSP实例。我们可以创建一个完全图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

现在,假设在G中存在哈密顿圈H。G'中H的每条边的成本为0,因为每条边都属于E。因此,H在G'中的成本为0。因此,如果图G具有哈密顿圈,则图G'具有成本为0的巡回路线。

现在让我们假设G'具有成本最多为0的巡回路线H'。根据定义,E'中边的成本为0和1。因此,由于H'的成本为0,每条边的成本必须为0。我们最终得出结论,H'只包含E中的边。

最终证明了:当且仅当G'具有成本最多为0的巡回路线时,G才具有哈密顿圈。因此,TSP是NP完全的。

更新于:2021年6月14日

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