java实现TSP问题的近似算法求解

TSP问题是指旅行商问题，即在一个图中，找到一条路径，经过每个顶点恰好一次，最终回到起点，并且路径总长度最短。TSP问题是一个NP难问题，没有多项式时间内的精确解法，因此我们通常采用一些近似算法来求解。其中，常用的有贪心算法和近似算法。

下面让我们来介绍一下java实现TSP问题的近似算法求解。

1. 贪心算法

贪心算法是一种启发式算法，它不一定能得到最优解，但通常能得到较优的解。TSP问题的贪心算法思路如下：

（1）任选一个起点，并将它作为当前节点；

（2）从当前节点出发，选择一条最短的边，到达下一个节点；

（3）重复步骤（2），直到所有的节点都被访问过；

（4）返回起点，形成一个回路。

Java代码实现如下：

public class TSP {
    private int[][] graph; // 图
    private boolean[] visited; // 是否已经访问
    private int[] path; // 访问路径
    private int minDist; // 最短距离
    private int n; // 节点个数

    public TSP(int[][] graph) {
        this.graph = graph;
        this.visited = new boolean[graph.length];
        this.path = new int[graph.length];
        this.minDist = Integer.MAX_VALUE;
        this.n = graph.length;
    }

    // 从当前节点出发，选择一条最短的边，到达下一个节点
    private void dfs(int cur, int dist, int level) {
        if (level == n) {
            // 所有节点都被访问过，形成一个回路
            if (graph[cur][0] != 0) {
                dist += graph[cur][0];
                if (dist < minDist) {
                    minDist = dist;
                    System.arraycopy(path, 0, bestPath, 0, n);
                }
            }
            return;
        }

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (!visited[i] && graph[cur][i] != 0) {
                visited[i] = true;
                path[level] = i;
                dfs(i, dist+graph[cur][i], level+1);
                visited[i] = false;
                path[level] = -1;
            }
        }
    }

    // 求解TSP问题
    public void solve() {
        visited[0] = true;
        path[0] = 0;
        dfs(0, 0, 1);
    }

    public int getMinDist() {
        return minDist;
    }

    public int[] getBestPath() {
        return bestPath;
    }
}

2. 近似算法

近似算法是一种能够在多项式时间内得到较优解的算法。其中，最常用的近似算法是 Christofides算法。它的思路是：

（1）通过最小生成树来构造一条欧拉回路；

（2）将欧拉回路转化为哈密顿回路。

Java代码实现如下：

public class TSP {
    private int[][] graph; // 图
    private int[] path; // 访问路径
    private int minDist; // 最短距离
    private int n; // 节点个数

    public TSP(int[][] graph) {
        this.graph = graph;
        this.path = new int[graph.length];
        this.minDist = Integer.MAX_VALUE;
        this.n = graph.length;
    }

    // 求解TSP问题
    public void solve() {
        // Step 1: 通过最小生成树来构造一条欧拉回路
        Prim prim = new Prim(graph);
        int[][] mst = prim.getMST();
        int[] degree = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {
                if (mst[i][j] != 0) {
                    degree[i]++;
                }
            }
        }
        int oddCnt = 0, oddVertex = -1;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (degree[i] % 2 == 1) {
                oddCnt++;
                oddVertex = i;
            }
        }
        if (oddCnt > 2) {
            throw new IllegalArgumentException("无欧拉回路");
        }
        if (oddCnt == 2) {
            // 添加一条边，使得变成欧拉回路
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                if (degree[i] % 2 == 1) {
                    for (int j = 0; j < n; j++) {
                        if (degree[j] % 2 == 1 && i != j) {
                            if (graph[i][j] != 0 && (oddVertex == -1 || graph[i][j] < graph[i][oddVertex])) {
                                oddVertex = j;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            mst[oddVertex][oddVertex] = Integer.MAX_VALUE;
        }
        int[] eulerPath = new EulerPath(mst).getPath();

        // Step 2: 将欧拉回路转化为哈密顿回路
        boolean[] visited = new boolean[n];
        int level = 0;
        for (int i = 0; i < eulerPath.length; i++) {
            int cur = eulerPath[i];
            if (!visited[cur]) {
                visited[cur] = true;
                path[level++] = cur;
            }
        }
        if (level != n) {
            throw new IllegalArgumentException("无哈密顿回路");
        }
        path[level] = path[0];
        int dist = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dist += graph[path[i]][path[i+1]];
        }
        minDist = dist;
    }

    public int getMinDist() {
        return minDist;
    }

    public int[] getBestPath() {
        return path;
    }
}