【回溯法】-排列树-旅行商(TSP)问题

旅行商问题描述

有n个城市,任意两个城市之间的距离已知。一个旅行商从某个城市出发经过每个城市且任一城市只经过一次,最后回到出发城市,如何确定代价最小的线路
在这里插入图片描述
商人从西安出发,经过图中所示的所有城市回到西安,可以选择先到成都,然后到达广州,继续访问HK,访问完香港后不能回到广州,因为每个城市智能访问一次,离开香港后可以去上海,然后继续北上来到徐州,最后经过北京回到西安。上述路线是该问题的一个可行解,当然这个解不一定是最优解。
现在明确了什么是商旅问题。思考一下回溯法求解问题的基本步骤,

回溯法步骤

1、针对所给的问题,定义问题的解空间。
2、确定易于搜索的解空间结构(排列数,子集树)。
3、从根结点开始,采用深度优先的方式遍历解空间树。

在遍历的过程中为了避免无效搜索,采用剪枝策略提高搜索的速度。
1、利用约束函数减去不满足约束条件的子树。
2、利用限界函数减去得不到最优解的子树。

举例

在这里插入图片描述
假设有四个城市,编号分别为1,2,3,4.
该问题不是从4个城市中选择若干城市,而是求解对4个城市的访问顺序
因此需要使用排列数组织解空间。
在这里插入图片描述从根到叶子的路径对应问题的一个可能解。采用深度优先的方法搜索这个树。
从跟结点A开始,到达结点B,继续深度优先,到达结点C,此时的含义是从城市1出发到城市2,继续深度优先到达结点F,此时的含义是,访问完城市2之后访问城市3,继续深度优先到达结点L,此时的含义是访问完城市3之后访问城市4,结点L是一个叶子结点,因此得到第一个解,即1,2,3,4。该可行解的距离代价是59
到达叶子结点L后,从L开始回溯到结点F,此时结点C的左子树访问完毕,开始访问结点C的右子树,到达结点G,此时的含义是访问城市2之后,访问城市4,当前的距离是40,如果继续深度优先,到达点M,访问的代价是60,说明还没有回到原点,访问代价就已经超过了目前得到的最优解。因此使用限界函数将结点M剪枝,
在这里插入图片描述

源代码

/**
   回溯法-旅行商(TSP)问题
*/
#include<iostream>
#include<algorithm>
#define MAX 100
using  namespace std;
int n;                               //城市个数
int a[MAX][MAX];                   //城市间距离
int x[MAX];                       //记录路径
int bestx[MAX]  = {0};           //记录最优路径
int bestp = 63355;              //最短路径长
int cp = 0;                    //当前路径长
void backpack(int t){
     if(t>n){
        if((a[x[n]][1])&&(a[x[n]][1]+cp<bestp)){
              bestp = a[x[n]][1]+cp;
              for(int i = 1;i<=n;i++){
                 bestx[i] = x[i];
              }
        }
     }else{
         for(int i = t;i<=n;i++){
             /*约束为当前节点到下一节点的长度不为0,限界为走过的长度+当前要走的长度之和小于最优长度*/
            if((a[x[t-1]][x[i]])&&(cp+a[x[t-1]][x[i]]<bestp)){
                swap(x[t],x[i]);   
                cp+=a[x[t-1]][x[t]];
                backpack(t+1);
                cp-=a[x[t-1]][x[t]];
                swap(x[t],x[i]);
            }
         }
    }
}
int main(){
    cout<<"输入城市个数:"<<endl;
    cin>>n;      //顶点数
    for(int i = 1;i<=n;i++){
         x[i] = i;
    }
    cout<<"输入城市之间的距离(0表示城市间不通):"<<endl;
    for(int i = 1;i<=n;i++){
        for(int j = 1;j<=n;j++){
            cin>>a[i][j];
        }
    }
    backpack(2);
    cout<<"最少旅行费用为: "<<bestp<<endl;
    cout<<"旅行路径为:"<<endl;
    for(int i = 1;i<=n;i++){
       cout<<bestx[i]<<" ";
    }
    cout<<bestx[1];
    return 0;
}
/*
输出结果
4
0 30 6 4
30 0 5 10
6 5 0 20
4 10 20 0
*/
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