双调欧几里得旅行商问题是一个经典动态规划问题。《算法导论(第二版)》思考题15-1和北京大学OJ2677都出现了这个题目。
旅行商问题描述:平面上n个点,确定一条连接各点的最短闭合旅程。这个解的一般形式为NP的(在多项式时间内可以求出)
J.L. Bentley 建议通过只考虑双调旅程(bitonictour)来简化问题,这种旅程即为从最左点开始,严格地从左到右直至最右点,然后严格地从右到左直至出发点。下图(b)显示了同样的7个点的最短双调路线。在这种情况下,多项式的算法是可能的。事实上,存在确定的最优双调路线的O(n*n)时间的算法。
上图中,a是最短闭合路线,这个路线不是双调的。b是最短双调闭合路线。
求解过程:
(1)首先将各点按照x坐标从小到大排列,时间复杂度为O(nlgn)。
(2)寻找子结构:定义从Pi到Pj的路径为:从Pi开始,从右到左一直到P1,然后从左到右一直到Pj。在这个路径上,会经过P1到Pmax(i,j)之间的所有点且只经过一次。
在定义d(i,j)为满足这一条件的最短路径。我们只考虑i>=j的情况。
同时,定义dist(i,j)为点Pi到Pj之间的直线距离。
(3)最优解:我们需要求的是d(n,n)。
关于子问题d(i,j)的求解,分三种情况:
A、当j < i - 1时,d(i,j) = d(i-1,j) + dist(i - 1,i)。
由定义可知,点Pi-1一定在路径Pi-Pj上,而且又由于j<i-1,因此Pi的左边的相邻点一定是Pi-1.因此可以得出上述等式。
B、当j = i - 1时,与Pi左相邻的那个点可能是P1到Pi-1总的任何一个。因此需要递归求出最小的那个路径:
d(i,j) = d(i,i-1) = min{d(k,j) + dist(i,k)},其中1 <= k <= j。
C、当j=i时,路径上最后相连的两个点可能是P1-Pi、P2-Pi...Pi-1-Pi。
因此有:
d(i,i) = min{d(i,1)+dist(1,i),...,d(i,i-1),dist(i-1,i)}.。
下面以北京大学OJ2677 Tour为例,编程实现(C++):
AC代码:
//双调欧几里得旅行商问题 //《算法导论(第二版)》思考题15-1 //PKU 2677 #include <iostream> #include <cmath> #include <iomanip> using namespace std; const int n = 7;//点的数目 const int MaxVal = 999999; const int MaxLen = 201; struct tagPoint{ double x,y; }; //计算点i和点j之间的直线距离 double distance(tagPoint *points,int i,int j) { return sqrt((points[i].x - points[j].x) * (points[i].x - points[j].x) + (points[i].y - points[j].y) * (points[i].y - points[j].y)); } double DP(tagPoint *points,int n) { double b[MaxLen][MaxLen];//记录最短路径的长度 //计算所有情况下的b[i][j],1 <= i <= j //初始化 b[1][2] = distance(points,1,2); for (int j = 3;j <= n;++j) { //i < j-1 for (int i = 1;i <= j - 2;++i) { b[i][j] = b[i][j - 1] + distance(points,j - 1,j); } //i = j - 1,b[i][j] = min(b[k][j - 1] + distance(k,j)); b[j - 1][j] = MaxVal; for (int k = 1;k <= j - 2;++k) { double temp = b[k][j - 1] + distance(points,k,j); if (temp < b[j - 1][j]) { b[j - 1][j] = temp; } } } b[n][n] = b[n - 1][n] + distance(points,n - 1,n); return b[n][n]; } int main() { int NUM; while(cin >> NUM) { tagPoint *points = new tagPoint[NUM + 1]; for (int i = 1;i <= NUM;++i) { cin >> points[i].x; cin >> points[i].y; } double minDis = DP(points,NUM); //设置输出格式:精确到小数点后2位 cout.setf(ios::fixed); cout << setprecision(2) << minDis << endl; } }运行结果: