一类最小支撑树的最优值逆问题

来源 :东南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lm20090910
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最小支撑树问题是组合优化领域中一个重要的研究方向,其在交通、通讯等网络中有广泛应用.本文主要研究最小支撑树的最优值逆问题(IOVMST),描述为:给定一个赋权无向连通图G=(V,E,ω,c0)和其一棵支撑树T0,调整网络的边权ω到ω,使得T0在新的权重ω下是一棵最小支撑树,并且T0的权值ω(T0)等于给定的常数K(K<ω(T0)),目标是使得调整费用c0‖ω-ω‖在某种模的意义下尽可能的小.本文主要研究赋权瓶颈哈明距离下的最优值逆问题(IOVMSTBH)和赋权l∞模下的最优值逆问题(IOVMST∞ω),目标函数分别为(?)ci0 H(ωi,ωi)、(?)ci0|ωi-ωi|.在赋权瓶颈哈明距离下,l、u分别为调整后边权ω的下界和上界.当l=-∞、u=+∞时称为无界的最优值逆问题(IOVMSTBH),当l>∞、u=+∞时称为有下界的最优值逆问题(LIOVMSTBH),当l>-∞、u<+∞时称为有上下界的最优值逆问题(CIOVMSTBH).本文针对这三种逆问题,分别建立数学模型,分析它们的性质,设计相应的算法.去掉c0中的重复元素并按升序排序后的向量记为c.对于无界的问题(IOVMSTBH),给定一个ck,首先定义目标值不超过ck的子问题(IOVMSTBH(ck)),若子问题(IOVMSTBH(ck))无可行解,则说明最优值大于ck;否则,给出子问题(IOVMSTBH(ck))的一个可行解.对于有下界的问题(LIOVMSTBH),首先给出了问题(LIOVMSTBH)有可行解的充分必要条件:l(T0)≤K.当l(T0)=K时,给出了该问题的一个最优解;当l(T0)<K时,定义(LIOVMSTBH)的子问题(LIOVMSTBH(ck)),其作用是验证给定的ck是否是一个可行的目标值.对于任意的ej(?)T0,称T0中连接ej的两个端点的路Pj为基本路.对任意ei∈T0,定义Ωi={ej(?)T0|ej∈Pj}为满足ei在基本路Pj中的非树边ej的集合.令Ω0={ei∈ T0|Ωi=(?)}为T0中孤立边的集合,设Ψ={(ei,ej)|ei∈ T0\Ω0,ej∈Ωi,li>uj}.定义#12对于有上下界的问题(CIOVMSTBH),提出了问题(CIOVMSTBH)有可行解的充分必要条件:Ψ=(?)且l(T0)≤K≤U(T0).当Ψ=(?),l(T0)=K或U(T0)=K时,分别给出了该问题的一个最优解;当Ψ=(?)且l(T0)<K<U(T0)时,定义(CIOVMSTBH)的子问题(CIOVMSTBH(ck)),其作用也是验证给定的ck是否是一个可行的目标值.对于这三个问题(IOVMSTBH)、(LIOVMSTBH)、(CIOVMSTBH),分别对费用向量c利用二分法设计了三个强多项式时间算法,时间复杂性都是O(|V||E| log |E|).最后,对每个算法都进行了数值实验,验证了它们的有效性.在赋权l∞模下,对无界的最优值逆问题(IOVMST∞ω)建立数学模型,当给定的支撑树T0满足圈最优性条件时,给出了(IOVMST∞ω)的一个最优解;当T0不满足圈最优性条件时,分析问题(IOVMST∞ω的性质,遵循不满足圈最优性条件的树边下调权值、非树边上调权值的原则,找到最优值的下界C,基于该最优值下界构造了新的权重向量ω,针对ω(T0)=K、ω(T0)<K、ω(T0)>K这三种情况分类讨论.当ω(T0)<K时,基于圈最优性条件和最优值下界C构造了权重向量ω",且在ω"(T0)<K时,首先求多条直线的交点,然后利用二分法搜索最优值所在的区间.最终,设计了时间复杂性为O(|E|2log|E|)的强多项式时间算法求解问题(IOVMST∞ω),并基于该算法给出了算例,验证了它的有效性.
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