哈密顿路问题

最新推荐文章于 2024-12-08 11:31:51 发布

原创最新推荐文章于 2024-12-08 11:31:51 发布 · 3.5k 阅读

1 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#扩展 #算法 #ini

ACM•图论专栏收录该内容

35 篇文章

订阅专栏

哈密顿路问题是一个NP问题，Dirac定理提供了一个充分条件：若无向图中每个节点的度数大于等于N/2，则存在汉密尔顿回路。通过搜索和状压DP可求解。本文介绍了Dirac定理的证明、构造方法及其在图论问题中的应用，如POJ 1776和HDU 3414等实例。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

对于一个图中是否存在一条哈密顿路，没有可靠的充分必要条件（貌似邻接矩阵恒式可以？），因此求哈密顿路是一个NP问题，一般要使用搜索和状压dp求解，但汉密尔顿回路的存在有许多充分条件，即当图满足某些特定性质的时候，汉密尔顿回路一定存在，而且可以根据一些算法构造出来。

1.Dirac定理：设一个无向图中有 N 个节点，若所有节点的度数都大于等于 N/2，则汉密尔顿回路一定存在。

（“N/2” 中的除法不是整除，而是实数除法，该条件中的 “N/2” 等价于 “⌈N/2⌉”）

证明：首先可以证明图一定是连通的。设 d(v) 表示节点 v 的度数。对于任意两个节点 u、 v，若它们不相邻，则可能和它们相邻的节点共有 N - 2 个，而 d(u) + d(v) ≥ N/2 + N/2 ≥ N，那么根据鸽巢原理，肯定存在一个节点与 u 和 v 都相邻。即证，任何两个节点之间都是连通的。

构造方法：

1. 任意找两个相邻的节点 S 和 T，在它们基础上扩展出一条尽量长的没有重复节点的路径。也就是说，如果 S 与节点 v 相邻，而且 v 不在路径 S → T 上，则可以把该路径变成 v → S → T，然后 v 成为新的 S。从 S 和 T 分别向两头扩展，直到无法扩为止，即所有与 S 或 T 相邻的节点都在路径 S → T 上。

2. 若 S 与 T 相邻，则路径 S → T 形成了一个回路。

3. 若 S 与 T 不相邻，可以构造出一个回路。设路径 S → T 上有 k + 2 个节点，依次为 S、 v1、 v2…… vk 和 T。可以证明存在节点 vi， i ∈ [1, k)，满足 vi 与 T 相邻，且 vi+1与 S 相邻。证明方法也是根据鸽巢原理，既然与 S 和 T 相邻的点都在该路径上，它们分布的范围只有 v1 ∼ vk 这 k 个点， k ≤ N - 2，而 d(S) + d(T) ≥ N，那么可以想像，肯定存在一个与 S 相邻的点 vi 和一个与 T 相邻的点 vj，满足 j < i。那么上面的命题也就显然成立了。找到了满足条件的节点 vi 以后，就可以把原路径变成 S → vi+1 → T → vi → S，即形成了一个回路。

4. 现在我们有了一个没有重复节点的回路。如果它的长度为 N，则汉密尔顿回路就找到了。如果回路的长度小于 N，由于整个图是连通的，所以在该回路上，一定存在一点与回路以外的点相邻。那么从该点处把回路断开，就变回了一条路径。再按照步骤1的方法尽量扩展路径，则一定有新的节点被加进来。接着回到步骤 2。

在整个构造过程中，如果说每次到步骤 4 算是一轮的话，那么由于每一轮当中，至少有一个节点被加入到路径 S → T 中来，所以总的轮数肯定不超过 N 轮。实际上，不难看出该算法的复杂度就是 O(N^2)，因为总共扩展了 N 步路径，每步扩展最多枚举所有的节点。

2.竞赛图：n(n>=2)阶竞赛图一定存在哈密顿通路

证明：对n作归纳法。n=2时，D的基图为K₂，结论成立。设n=k时结论成立。现在设n=k+1.设V(D)={v₁,v₂,…,v_k,v_k+1}。令D₁=D-v_k+1，易知D₁为k阶竞赛图，由归纳假设可知，D₁存在哈密顿通路，设Г₁=v'₁v'₂…v'_k为其中一条。下面证明v_k+1可扩到Г₁中去。若存在v'_r（1≤r≤k），有<v'_i,v_k+1>∈E(D)，i=1,2,…,r-1，而<v_k+1,v'_r>∈E(D)，见图（1）所示，则Г=v'₁v'₂…v'_r-1v_k+1v'_r…v'_k为D中哈密顿通路。否则，i∈{1,2,…,k}，均有<v'_i,v_k+1>∈E(D)，见下图所示，则Г=Г'∪<v'_k,v_k+1>为D中哈密顿通路。

构造：可以依次从1~N遍历所有的点。当v=1时成立。之后根据上述定理，每次循环开始时都维持着一条哈密顿路，直到循环结束。具体实现可以用链表来模拟。

poj 1776 Task Sequences构造哈密顿通路

boolean map[][] = new boolean[maxn][maxn];
	int nxt[]=new int[maxn],ans[]=new int[maxn];
	void solve(int n){
		Arrays.fill(nxt, -1);
		int h=1;
		for(int i=2;i<=n;i++)
			if(map[i][h]){
				nxt[i]=h;
				h=i;
			}
			else{
				int pre=h,pos=nxt[h];
				while(pos!=-1&&!map[i][pos]){
					pre=pos;
					pos=nxt[pos];
				}
				nxt[pre]=i;
				nxt[i]=pos;
			}
		int cnt=0;
		for(int i=h;i!=-1;i=nxt[i])
			ans[++cnt]=i;
	}
	void run() throws IOException{
		while(in.nextToken()!=in.TT_EOF){
			int n=(int)in.nval;
			for(int i=1;i<=n;i++)
				for(int j=1;j<=n;j++)
					map[i][j]=(nextInt()==1);
			solve(n);
			System.out.println("1\n"+n);
			for(int i=1;i<n;i++)
				System.out.print(ans[i]+" ");
			System.out.println(ans[n]);
		}
	}

判断哈密顿圈只需枚举起点，将构造方法稍作改动（注意只有一个点时特判），显然竞赛图有哈密顿通路不一定有哈密顿回路。

hdu 3414 Tour Route 构造哈密顿回路

	boolean map[][] = new boolean[maxn][maxn];
	int nxt[] = new int[maxn], ans[] = new int[maxn];
	void solve(int start, int n) {
		Arrays.fill(nxt, -1);
		int h = start;
		for (int i = 1; i <= n; i++){
			if(i==start)
				continue;
			if (map[i][h]) {
				nxt[i] = h;
				h = i;
			} else {
				int pre = h, pos = nxt[h];
				while (pos != -1 && !map[i][pos]) {
					pre = pos;
					pos = nxt[pos];
				}
				nxt[pre] = i;
				nxt[i] = pos;
			}
		}
		int cnt = 0;
		for (int i = h; i != -1; i = nxt[i])
			ans[++cnt] = i;
	}

	void run() throws IOException {
		while (true) {
			int n = nextInt();
			if(n==0)
				break;
			for (int i = 1; i <= n; i++)
				for (int j = 1; j <= n; j++)
					map[i][j] = (nextInt() == 1);
			if(n==1)
			{
				System.out.println(1);
				continue;
			}
			boolean flag=true;
			for (int k = 1; k <= n; k++) {
				solve(k,n);
				if(!map[ans[n]][ans[1]])
					continue;
				for (int i = 1; i < n; i++)
					System.out.print(ans[i] + " ");
				System.out.println(ans[n]);
				flag=false;
				break;
			}
			if(flag)
				System.out.println(-1);
		}
	}

博客搬新家： onslaughtor.github.io