算法设计及分析 np困难问题

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1、NP困难问题定义3设和是两个判定问题，我们说在多项式时间内可图灵归约为，记做，如果存在的一个算法，它多次调用求解的算法作为其子程序，而且，若每次调用该子程序均需用单位时间，则为一个多项式时间算法。称为从到的多项式归约，记为。图灵归约也有多项式变换类似的两个性质，特别地，如果判定问题可以归约到，则至少和一样难。图灵归约的定义可不限于判定问题，它可以适用于最优化问题等更广的一类问题。定义4对于问题，如果存在一个NP完全问题，使得，则称是NP困难的（NP-hard）.由定义4，所有的NP类问题都可以多项式归约到任一个NP困难问题，这有时

2、也作为NP困难问题的定义。注意，在上述定义中，并不要求。类似于对NP完全问题的讨论方法，不难推出NP困难问题的下述性质：若是NP困难的，除非P=NP，不可能在多项式时间内求解；一个典型的不属于NP，但是NP困难的问题就是第k个最重子集问题：例：已知整数；问：存在k个不同的子集，使得对于有吗？我们已经知道划分问题是NP完全问题，据此可以证明第k最重子集问题是NP困难问题。事实上，设是划分问题的某个给定的实例，假设我们已经有个算法可以用来解第k最重子集问题，则可设计出求解划分问题的算法如下：首先，若为奇数，则立即推出回答问题否；否则，

3、令，用算法作为子程序，按下列二分搜索技术确定重至少是的子集的数目：(a)令；(b)若，置，且停机；(c)令，并调用算法。若回答为是，则令，转（b）；否则，令，转（b）。以上过程通过恰好次调用,即可找到。至此，只需再调用一次该算法即可给出所考虑划分问题例子的答案，即调用。若该调用的答案为是，则所有S中重至少为L的子集也必满足其重至少为L+1，因此，S的没有中为L的子集，故对划分问题的回答为否。相反，若该调用的回答为否，则意味着存在某一个S的子集，使得其重为L，对划分问题的回答为是。由上述迭代过程容易看出，若假设每次调用算法A只需要单

4、位时间（其实只要假设A为多项式时间算法即可），则以上即给出了求解划分问题的一个多项式时间算法。也就是说，我们证明了划分问题可多项式时间归约到第k个最重子集问题。另一个典型的NP困难问题是对称（距离矩阵是对称的）旅行商问题。如果假定已经知道无向图的Hamilton问题是NPC问题，则可以证明对称旅行商问题是NP困难问题如下：证明：首先，对称旅行商问题不是NP的。因为对其解的任一猜想，要检验它是否是最优的，需要同所有其它的环游比较，这样的环游会有指数多个，因而不可能在多项式时间内完成。考虑图的Hamilton回路问题，已知无向图G=(

5、V,E),

6、V

7、=n,构造其对应的旅行商问题如下：显然，这一变换可以在多项式时间内完成，而且，图G有Hamilton回路的充要条件是上述构建的旅行商问题有解，且其解对应的路程长度为为n。因若G不含Hamilton回路，则这时的旅行商问题的解对应的路程长度至少是n+1.因为已知图的Hanmilton回路问题是NP完全的，且上述变换为多项式变换，故我们证明了对称旅行商问题是NP困难的。事实上，如果问题的判定模式是NPC，则其优化模式一般是NP-困难的。