关于中国邮递员问题和欧拉图应用
中国邮递员问题:
19xx年有管梅谷先生提出中国邮递员问题(简称CPP)。一个邮递员从邮局出发,要走完他所管辖的每一条街道,可重复走一条街道,然后返回邮局。任何选择一条尽可能短的路线。
这个问题可以转化为:给定一个具有非负权的赋权图G,
(1)用添加重复边的方法求G的一个Euler赋权母图G*,使得尽可能小。
(2)求G*的Euler 环游。
人们也开始关注另一类似问题,旅行商问题(简称TSP)。TSP是点路优化问题,它是NPC的。而CPP是弧路优化问题,该问题有几种变形,与加权图奇点的最小完全匹配或网络流等价,有多项式算法。[1]
欧拉图:
图G中经过每条边一次并且仅一次的回路称作欧拉回路。存在欧拉回路的图称为欧拉图。
无向图欧拉图判定:
无向图G为欧拉图,当且仅当G为连通图且所有顶点的度为偶数。
有向图欧拉图判定:
有向图G为欧拉图,当且仅当G的基图[2]连通,且所有顶点的入度等于出度。
欧拉回路性质:
性质1 设C是欧拉图G中的一个简单回路,将C中的边从图G中删去得到一个新的图G’,则G’的每一个极大连通子图都有一条欧拉回路。
性质2 设C1、C2是图G的两个没有公共边,但有至少一个公共顶点的简单回路,我们可以将它们合并成一个新的简单回路C’。
欧拉回路算法:
1 在图G中任意找一个回路C;
2 将图G中属于回路C的边删除;
3 在残留图的各极大连通子图中分别寻找欧拉回路;
4 将各极大连通子图的欧拉回路合并到C中得到图G的欧拉回路。
由于该算法执行过程中每条边最多访问两次,因此该算法的时间复杂度为O(|E|)。
如果使用递归形式,得注意|E|的问题。使用非递归形式防止栈溢出。
如果图 是有向图,我们仍然可以使用以上算法。
http://acm./showproblem.php?pid=1116 有向图欧拉图和半欧拉图判定
http://acm./JudgeOnline/problem?id=2337 输出路径
中国邮递员问题①:
一个邮递员从邮局出发,要走完他所管辖的每一条街道,可重复走一条街道,然后返回邮局。所有街道都是双向通行的,且每条街道都有一个长度值。任何选择一条尽可能短的路线。
分析:
双向连通,即给定无向图G。
如果G不连通,则无解。
如果G是欧拉图,则显然欧拉回路就是最优路线。
如果G连通,但不是欧拉图,说明图中有奇点[3]。奇点都是成对出现的,证明从略。
对于最简单情况,即2个奇点,设(u,v)。我们可以在G中对(u,v)求最短路径R,构造出新图G’ = G ∪ R。此时G’就是欧拉图。
证明:u和v加上了一条边,度加一,改变了奇偶性。而R中其他点度加二,奇偶性不变。
由此可知,加一次R,能够减少两个奇点。推广到k个奇点的情况,加k/2个R就能使度全为偶数。
接下的问题是求一个k个奇点的配对方案,使得k/2个路径总长度最小。
这个就是无向完全图最小权匹配问题。有一种Edmonds算法,时间复杂度O(N^3)。[4]
也可转换为二分图,用松弛优化的KM算法,时间复杂度也是O(N^3)。
完整的算法流程如下:
1 如果G是连通图,转2,否则返回无解并结束;
2 检查G中的奇点,构成图H的顶点集;
3 求出G中每对奇点之间的最短路径长度,作为图H对应顶点间的边权;
4 对H进行最小权匹配;
5 把最小权匹配里的每一条匹配边代表的路径,加入到图G中得到图G’;
6 在G’中求欧拉回路,即所求的最优路线。
中国邮递员问题②:
和①相似,只是所有街道都是单向通行的。
分析:
单向连通,即给定有向图G。
和①的分析一样,我们来讨论如何从G转换为欧拉图G’。
首先计算每个顶点v的入度与出度之差 d’(v)。如果G中所有的v都有d’(v)=0,那么G中已经存在欧拉回路。
d’(v)>0 说明得加上出度。d’(v)<0说明得加上入度。
而当d’(v)=0,则不能做任何新增路径的端点。
可以看出这个模型很像网络流模型。
顶点d’(v)>0对应于网络流模型中的源点,它发出d’(v)个单位的流;顶点d’(v)<0
对应于网络流模型中的汇点,它接收-d’(v)个单位的流;而d’(v)=0的顶点,则对应于网络流模型中的中间结点,它接收的流量等于发出的流量。在原问题中还要求增加的路径总长度最小,我们可以给网络中每条边的费用值 设为图 中对应边的长度。这样,在网络中求最小费用最大流,即可使总费用最小。
这样构造网络N:
1 其顶点集为图G的所有顶点,以及附加的超级源 和超级汇 ;
2 对于图G中每一条边(u,v),在N中连边(u,v),容量为∞,费用为该边的长度;
3 从源点 向所有d’(v)>0的顶点v连边(s,v),容量为d’(v),费用为0;
4 从所有d’(v)<0的顶点 向汇点t连边(u,t),容量为-d’(v),费用为0。
完整的算法流程如下:
1 如果G的基图连通且所有顶点的入、出度均不为0,转2,否则返回无解并结束;
2 计算所有顶点v的d’(v)值;
3 构造网络N;
4 在网络N中求最小费用最大流;
5 对N中每一条流量f(u,v)的边(u,v),在图G中增加f(u,v)次得到G’;
6 在G’中求欧拉回路,即为所求的最优路线。
NPC问题:
如果部分街道能够双向通行,部分街道只能单向通行。这个问题已被证明是NPC的。[5]
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[1] 大城市邮政投递问题及其算法研讨
[2] 忽略有向图所有边的方向,得到的无向图称为该有向图的基图。
[3] 度为奇数的顶点称为奇点。
[4] J. Edmonds, E. Johnson 《Matching, Euler tours, and the Chinese postman》
[5] C. Papadimitriou 《The complexity of edge traversing》
中国邮递员问题的C++实现源代码
//PKU 2337
#include <cstdio>
#include <string>
#include <vector>
#include <stack>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int MAX = 1100;
char str[MAX][25];
int n, in[MAX], out[MAX];
vector<string> words[30];
int vis[30];
int f[30], ss, is, os, ps;
int seq[MAX], step;
void find_euler(int pos)
...{
int i,j;
while(out[pos]) ...{
for(; vis[pos] < words[pos].size() ;) ...{
string snext = words[pos][ vis[pos] ];
j = snext[snext.length() -1] -'a';
out[pos] --;
vis[pos] ++;
find_euler(j);
}
}
seq[step ++] = pos;
}
void union_f(int s,int e)
...{
int ts = s, te = e;
while(s != -1 && f[s] != s) ...{
s = f[s];
}
if(s == -1) ...{
f[ts] = s = ts;
}
while(e != -1 && f[e] != e) ...{
int t = e;
e = f[e];
f[t] = s;
}
if(e >= 0) ...{
f[e] = s;
}
}
int main()
...{
int t,i,j;
scanf("%d", &t);
while(t --) ...{
scanf("%d", &n);
getchar();
for(i=0;i<30;i++) words[i].clear(); memset(in,0,sizeof(in));
memset(out,0,sizeof(out));
memset(f,-1,sizeof(f));
ss = is = os = ps = 0;
for(i=0;i<n;i++) ...{
gets(str[i]);
int len = strlen(str[i]);
int chs = str[i][0] -'a';
int che = str[i][len-1] -'a';
words[chs].push_back(string(str[i])); in[che] ++;
out[chs] ++;
union_f(chs, che);
}
bool flag = true;
for(i=0;i<30;i++) ...{
if(f[i] == i) ss ++;
if(in[i] == out[i] +1) os ++;
else if(in[i] +1 == out[i]) is ++;
else if(in[i] != out[i]) flag = false;
}
if(ss > 1) flag = false;
if( !(os==0 && is==0) && !(os==1 && is==1) ) flag = false; if(!flag) ...{
puts("***");
}
else ...{
int spos;
if(os == 1 && is == 1) ...{
for(i=0;i<30;i++) ...{
if(in[i] +1 == out[i]) ...{
spos = i;
break;
}
}
}
else ...{
for(i=0;i<30;i++) ...{
if(f[i] != -1) ...{
spos = i;
break;
}
}
}
for(i=0;i<30;i++) sort(words[i].begin(), words[i].end()); step = 0;
memset(vis, 0, sizeof(vis));
find_euler(spos);
//memset(vis, 0, sizeof(vis));
for(i=step-1;i>0;i--) ...{
spos = seq[i];
string snext;
for(j=0;j<words[spos].size();j++) ...{
snext = words[spos][j];
if(seq[i-1] == snext[snext.length() -1] -'a') ...{ words[spos].erase(words[spos].begin() +j); break;
}
}
printf("%s", snext.c_str());
if(i>1) putchar('.');
}
puts(""); } }
}
第二篇:邮递员之歌
邮递员之歌
披着清晨的彩衣,你匆匆地走来; 青春的朝阳,照亮你灿烂的笑脸; 带着心的真诚来到了日常的港湾 挽着落日的余晖,你匆匆走来,温馨的夕阳, 映红你疲惫的身影,满怀无悔的回到家的港湾。
人民的信使,你匆匆地走来
像一行执着的鸿雁往返于心灵的彼岸 像一群人间的天使,牵系着亲情和思恋 你忙碌的身影,载着心灵太多的嘱托 你额头的汗水,系着人间太多的情感 你满是墨香的双手,诉说着世间太多的故事 你海一样的胸怀,包容着人类太多的春天 人民的信使—投递员,你匆匆地走来 人们那翘首企盼的目光,正是你动力的源泉。
敦化市邮政局 牟力强