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给定一个 *n 大小的多头无环图,其中每个节点最多有三个子节点和三个父节点,是否存在一个非指数算法来识别是否存在一个 n 长度路径,其中没有两个节点共享相同的值,并且每个一个集合的值被占?

基本上,我有一个 n*n 迷宫,其中每个空间都有一个随机值 (1..n)。我需要找到包含每个值的 n 个节点的路径(从顶部到底部)。

现在我正在使用深度优先搜索,但那是T(n) = 3T(n-1) + O(1)一个O(3^n)非理想的解决方案。

确认我的恐惧,或指出我正确的方向将不胜感激。

编辑:为了让这个更具体一点,这里是一个带有解决方案的迷宫(使用深度优先解决方案解决)。

1 2 5 5 4
 1 5 1 3 5
 4 1 2 3 2
 5 5 4 4 3
 4 2 1 2 4
S3, 5, 1, 3, 4, 2, F4
S3, 5, 1, 3, 4, 2, F2
S3, 5, 1, 3, 4, 2, F4
S3、5、3、2、4、1、F3
S3、5、3、2、4、1、F3
S3、5、3、2、4、1、F3
S4, 5, 3, 2, 4, 1, F3
S4, 5, 3, 2, 4, 1, F3
S4, 5, 3, 2, 4, 1, F3
S4, 5, 1, 3, 4, 2, F4
S4、5、1、3、4、2、F2
S4, 5, 1, 3, 4, 2, F4
S5、4、3、2、5、1、F3
总共 13 条路径`
4

5 回答 5

11

这个问题是NP完全的,因此不知道是否存在多项式时间解。(在实践中可能很容易的标准附加条件等都适用。)一种可能的减少来自 3SAT。

假设我们有一个 3SAT 实例,例如 (a ∨ b ∨ c) ∧ (¬a ∨ ¬b ∨ ¬c)。我将展示如何使用“小工具”来构建您的问题的实例。在开始之前,将 3SAT 问题改写为 (a1 ∨ b1 ∨ c1) ∧ (¬a2 ∨ ¬b2 ∨ ¬c2) 以及 a1 = a2, b1 = b2, and c1 = c2; 即,使变量的每次出现都是唯一的,但随后添加相同变量的不同出现必须相等的条件。

首先,我们确保您必须选择第一行中的数字 0,以便我们以后可以将其用作您必须避免的“哨兵”。

 0   0   0 

现在,我们构建一个执行 a1 = a2 规则的小工具:(_这里的下划线是每次使用这个小工具时的一个新的唯一编号)

 0   _   0 
 a1  0  ¬a1
 a2  0  ¬a2

由于第一行,您必须避免使用 0。这意味着您要么选择路径“a1, a2”,要么选择路径“¬a1, ¬a2”;前者对应于(有点令人困惑)将 a 设置为 false,而后者对应于将 a 设置为 true。这是因为我们的子句小工具真的很简单,因为我们只是简单地写下子句,例如(_这里每次都是一个新变量):

 0   _   0 
 a1  b1  b2

或者

 0   _   0 
¬a1 ¬b1 ¬b2

最后,由于您只使用了 a1 和 ¬a1 等中的一个,我们让您拿走您没有使用的那些:

 0   _   0 
 a1 ¬a1  0 

现在,这并不完全奏效,因为 a1 和 ¬a1 中的一个可能已在变量选择小工具中使用,而另一个可能已在子句中使用。@i因此,我们为您可以使用的每个子句包含一个新变量,而不是其中一个变量。所以如果变量 a1 出现在第 1 条中,我们有

 0   _   0 
 a1 ¬a1  @1 

这是原始 3SAT 子句翻译的完整输出(突出显示对应于将 a 和 b 设置为 true、c 为 false 并从第一个子句中选择 a 的路径),左侧是数字,右侧是光泽。小工具被重新排序(第一个子句小工具,然后是每个变量,相等小工具,然后是未使用的小工具),但这并不重要,因为它们无论如何都是独立的。

0       0  <    0               .       .  <    .       
0       8  <    0               .       _  <    .       
2  <    4       6               a1 <    b1      c1      
0       16 <    0               .       _       .       
11      13      15 <            -a2     -b2     -c2<    
0       17 <    0               .       _  <    .       
2       0       3  <            a1      .       -a1<    
10      0       11 <            a2      .       -a2<    
0       18 <    0               .       _  <    .       
2       3       1  <            a1      -a1     @1 <    
0       19 <    0               .       _       .       
10 <    11      9               a2 <    -a2     @2      
0       20 <    0               .       _  <    .       
4       0       5  <            b1      .       -b1<    
12      0       13 <            b2      .       -b2<    
0       21 <    0               .       _  <    .       
4  <    5       1               b1 <    -b1     @1      
0       22 <    0               .       _  <    .       
12 <    13      9               b2 <    -b2     @2      
0       23 <    0               .       _  <    .       
6  <    0       7               c1 <    .       -c1     
14 <    0       15              c2 <    .       -c2     
0       24 <    0               .       _  <    .       
6       7  <    1               c1      -c1<    @1      
0       25 <    0               .       _  <    .       
14      15      9  <            c2      -c2     @2 <    

(如果您希望整个事情是方形的,只需在每行的末尾添加一堆零。)很有趣的是,无论您如何解决这个问题,从本质上讲,您都在解决 3SAT 问题。

在我的帖子末尾是一个仓促编写的 Perl 程序,它从表单的输入中生成您的一个问题

a b c
-a -b -c

问题的结果实例中的变量数为11C + V + 1。给程序-r开关以产生光泽而不是数字。

# Set useful output defaults
$, = "\t"; $\ = "\n";

# Process readability option and force sentinel
my $r = "0";
if( $ARGV[0] =~ /-r/ ) { shift; $r = "."; }
print $r, $r, $r;

# Clause gadgets
my( %v, %c, $m, $c );
$m = 1;
while( <> ) {
    my( @v, @m );
    $c = $m++;
    chomp; @v = split;
    for my $v ( @v ) {
        push @{$v{strip($v)}}, -1; # hack, argh!
        push @m, ($r ? $v.@{$v{strip($v)}} : $m + neg($v));
        $c{($r ? (strip($v).@{$v{strip($v)}}) : $m)} = $c;
        $v{strip($v)}->[-1] = ($r ? (strip($v).@{$v{strip($v)}}) : $m);
        $m += 2 unless $r;
    }
    print $r, newv(), $r;
    print @m;
}

# Variable gadget
for my $v ( sort keys %v ) {
    # Force equal
    print $r, newv(), $r;
    for my $n ( @{$v{$v}} ) {
        print $n, $r, ($r ? "-".$n : $n+1);
    }

    # Unused
    for my $n ( @{$v{$v}} ) {
        print $r, newv(), $r;
        print $n, ($r ? "-".$n : $n+1), ($r ? "\@".$c{$n} : $c{$n});
    }
}

# Strip leading -
sub strip {
    my( $v ) = @_;
    return substr $v, neg($v);
}

# Is this variable negative?
sub neg {
    my( $v ) = @_;
    return "-" eq substr( $v, 0, 1 );
}

# New, unused variable
sub newv {
    return "_" if $r;
    return $m++;
}
于 2009-02-17T09:09:26.453 回答
5

我很确定这可以在多项式时间内完成。我将从一个空集开始,然后从上到下循环遍历行。我将跳过任何类型的代码,向您展示每一步的状态是什么样的,您应该能够从那里组合一个算法。我很确定最好的情况比使用广度优先搜索的变体并跟踪表中当前良好路径的 O(n^2) 略差。

编辑:如果这仍然不够快,您可以通过应用Harlequin 的优化来改进它。

例如:

1 2 3
3 2 1
1 2 1

状态 0:R = 0 // 行 P = {} // 路径集

// {{Path so far}, Column}

P' = {
    {{1}, 0}
    {{2}, 1}
    {{3}, 2}
}

P = P'

状态 1:R = 1 // ROW P = { {{1}, 0} {{2}, 1} {{3}, 2} }

P' = {
    {{1 3}, 0}
    {{1 2}, 1}
    {{2 3}, 0}
    {{2 1}, 2}
    {{3 2}, 1}
    {{3 1}, 2}
}

状态 2:R = 2 P = { {{1 3}, 0} {{1 2}, 1} {{2 3}, 0} {{2 1}, 2} {{3 2}, 1} { {3 1}, 2} }

P' = {
    {{1 3 2}, 1}
    {{2 3 1}, 0}
    {{3 2 1}, 0}
    {{3 2 1}, 2}
    {{3 1 2}, 1}
}

结果:
路径计数:5
S1 1 3 2 F2
S2 2 3 1 F1
S3 3 2 1 F1
S3 3 2 1 F3
S3 3 1 2 F2

于 2009-02-11T08:23:55.267 回答
3

你可以试试蚁群优化。它很快就会产生非常接近完美解决方案的非常好的结果。

于 2009-02-11T09:08:18.780 回答
1

Kevin Loney 解决方案的一项优化可能是合并在同一列中包含相同元素的部分路径。如果您想知道最后解决方案的数量,则必须注意与路径合并的数量。

示例:在您的 5x5 示例中,当您到达第三行时,第三列有三个通向它的路径,其中包含 (1 2 5) 以某种顺序。您不必从这一点单独遵循这些,但可以合并它们。如果您想知道最后解决方案的数量,您只需调整路径数据结构,例如三个(1(1 2 5))将合并为(3(1 2 5))。

于 2009-02-11T10:04:03.390 回答
0

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于 2009-02-11T08:23:57.500 回答