在具有附加条件的图中查找最小加权路径

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我遇到了一个问题,运行时间超过了我期望的时间(大约1秒)。我非常希望能得到你的帮助,构建比我的算法更有效率的算法。

Given an undirected graph G = (V, E) with two parameter of weights w1 and w2 for each edges. This graph has N vertices and M edges. A K-Elementary path S is a sub-graph of G which must be an elementary graph and it does have exactly K edges.

Find a K-elementary path S with the sum of w1 of all edges as minimum value and the sum of w2 of all edges of S must be smaller than a given value Q. If it does not exist any path satisfied, print out the value -1

Input:

The first line with four values N, M, K, Q (2 <= N, K <= 50, 1 <= M <= 2*N, 1 <= Q <= 10^9)

The next M lines show the edges of the graph: V1 V2 W1 W2 (1 <= V1, V2 <= N, 1 <= W1 <= 10^4, 1 <= W2 <= 10^4)

Output: One integer to show the minimum weight of the k-elementary graph found. -1 if non-exists

Sample test case:

Input:

5 7 3 6
1 2 1 2
1 4 2 2
1 5 3 6
2 3 3 2
2 4 4 4
3 4 5 1
4 5 4 7

Output:

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首先,我想引用一个“初等路径”的定义。点此查看 简而言之,对于这个问题,我们需要找到一条k-元路径S,使得到w1的权重最小,所有边的和到w2小于或等于Q,并且它确切地有K个边。
我有一种回溯法的方法,尝试构建满足第二个条件(w2)的所有图形,然后找到第一个条件(w1)的最小值,但是,正如您所知,时间复杂度很高。然而,我发现很难将其转换为动态规划或任何其他方法来降低时间复杂度。我已经添加了一些分支限界条件,但仍然很慢。
以下是我的源代码,您可以参考,但我认为它没有用。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define N 51
#define INF 1e9
int n, m, K, Q;
bool appear[N];
int W1[N][N];
int W2[N][N];
int currentSum1 = 0;
int currentSum2 = 0;
int source = 0;
int res = INF;
int Log[N];
int minElement = INF;
bool check(int k, int v)
{
    return !appear[v] && W1[Log[k - 1]][v] != 0 && W2[Log[k - 1]][v] != 0;
}
void solution()
{
    if(currentSum1 != 0 && currentSum1 < res)
    {
        res = currentSum1;
        // for(int i = 0; i <= K; i++)
        //     cout << Log[i] << " ";
        // cout << endl;
    }
}
void solve(int k)
{
    for(int v = 1; v <= n; v++)
    {
        if(check(k, v) && currentSum2 + W2[source][v] <= Q && currentSum1 + (K - k) * minElement <= res) //Branch-bound condition
        {
            Log[k] = v;
            currentSum2 += W2[Log[k - 1]][v];
            currentSum1 += W1[Log[k - 1]][v];
            appear[v] = true;
            if(k == K)
                solution();
            else
                solve(k + 1);
            currentSum1 -= W1[Log[k - 1]][v];
            currentSum2 -= W2[Log[k - 1]][v];
            appear[v] = false;
        }
    }
}
int main()
{
    fast;
    // freopen("data.txt", "r", stdin);
    cin >> n >> m >> K >> Q;
    for(int i = 0; i < m; i++)
    {
        int x, y, w1, w2;
        cin >> x >> y >> w1 >> w2;
        minElement = min(minElement, w1);
        W1[x][y] = w1;
        W1[y][x] = w1;
        W2[x][y] = w2;
        W2[y][x] = w2;
    }
    for(int v = 1; v <= n; v++)
    {
        source = v;
        currentSum2 = 0;
        currentSum1 = 0;
        Log[0] = v;
        for(int i = 1; i <= n; i++)
            appear[i] = false;
        appear[source] = true;
        solve(1);
    }
    if(res != INF)
        cout << res << endl;
    else 
        cout << -1 << endl;
}
1个回答

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首先,找到一个资源受限的最短路径是NPHard问题。解决这个问题的大多数方法都采用标记方案,这是动态规划的一种专业化形式。您可以使用现有的库来完成此操作。请参见here以获取boost实现。该实现将帮助您找到从s到t的(可能)非基本路径,只要所有w_2权重都为正。如果权重w_2为负,则可能出现负w_1权重和正Q的情况下问题无界。
现在,谈到需要k元素最短路径的需求,据我所知,没有现成的算法可以帮助完成这项任务。首先,忘记k。使用上面提到的boost链接中引用的标记方案可以找到符合附加资源约束条件的基本最短路径。在这种情况下,动态程序的状态空间应扩大,以允许存储路径中所有先前访问过的节点的指示向量。与基本资源受限最短路径问题相比,这使问题更难解决。

现在,针对您需要的k元最短路径,您需要将上述递归查找元最短路径的方案嵌入到另一个函数中,该函数不断检查返回的元路径是否具有k条边。如果它确实有k条边,那么您就完成了。如果没有,您需要以某种方式对算法进行限制,以防止出现特定的路径。这可以通过使用预标签来实现。据我所知,这是首次在this的工作中完成的。

祝你好运,但这个问题是双倍/三倍困难的(因为可能需要多次迭代)。您应该参考boost链接中提到的工作和此领域的后续论文,以了解最先进的技术。我怀疑最先进的技术无法解决超过10-15个节点的问题。


首先,你的假设w1或w2的值可能为负数是不可能的,因为有输入限制。 其次,正如你所说,我们可以使用Boost库,但这个库今天不能用,或者有一些原因导致我的编译器无法使用这个库。我该怎么使用它或找到替代品? - Minh Hien
正如我之前提到的,没有现成的算法可供使用。您需要自己实现此算法。我上面提到的论文只是给出了伪代码中算法的步骤。然后您需要自己将其转换为C++代码。 - Tryer

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