九 章 格 数 学 · 数 学 前 沿 · V I P 专 阅

度量旅行商 4/3 猜想

《图论中的 50 个公开问题》 · 问题 43 专题综述

题面度量 TSP 是否有近似比 4/3 的多项式算法?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

度量 TSP:边权满足三角不等式的完全图,求最短哈密顿圈。NP-难;近似算法竞赛:Christofides 1976 的 3/2 近似统治 45 年,Karlin–Klein–Oveis Gharan 2020 打破为 3/2−ε(ε ≈ 10⁻³⁶)。猜想:存在 4/3 近似——与 4/3 硬度下界( «无 « 更好 » 除非 P=NP»)精确相遇。

主要概念

亚多面体与 Christofides 的两条腿

下界 LP: «subtour elimination LP»( «亚多面体 »)—— «每个 « 非平凡 » 子集的 « 出边 ≥ 2»»;其积分间隙( «最优整数解 / 最优 LP 解»)的猜想值就是 4/3( «亚多面体间隙猜想»)。Christofides: «最小生成树 + « 最小完美匹配 » 补奇度 + 「欧拉化」»—— «3/2» 由 «树 ≤ LP/... » 与 «匹配 ≤ OPT/2» 的 «两腿 » 加和。

KKO 破冰机

KKO 的机器: «随机采样 » 的 «Maxwell–Boltzmann » 型 «点分布 »( «按 « 亚多面体 » 的 « 变分 » 权 » 抽 « 树 »), «最大熵 » 分析给 «奇度 » 的 «改进匹配 »—— «ε» 的 «天文小 » 来自 « « 谱 » 论证 » 的 «长尾 »:机制上 «ε 可放大 »、 «放大 » 需 «技术 » 突破。

主要命题与证明

命题 1(Christofides 3/2,完整证明) 度量完全图上,Christofides 算法返回 ≤ 3/2·OPT 的圈。

证明 ①MST ≤ OPT( «删圈得树 »);②奇度点集 S(偶数个)的 «最小完美匹配 » ≤ OPT/2: «OPT 限制到 S» 给 «偶圈 » 覆盖( «Hamilton 圈 » 在 S 上的 «访序 »), «偶圈 » 可 «二分 » 成两个 «完美匹配 », «小者 ≤ OPT/2», «三角不等式 » 下 «匹配 ≤ 访序 »。树 + 匹配 = 欧拉多重图 ≤ 3/2·OPT, «捷径化 »( «三角不等式 » 允许)得哈密顿圈。□

命题 2(4/3 硬度) 4/3 − ε 近似 ⟹ P = NP( «L-reduction » 型归约,Cormode–... 与 Karpinski 系)。

进展与文献

Christofides 1976( «Barest » 技术报告);Wolsey 的 «1/2−ε» LP 分析线;Karlin–Klein–Oveis Gharan 2020(STOC/Annals 系); «整数间隙 » 的 «特例 »: «图 TSP»( «0-1 权 »)已被 Mömke–Svensson 与 Mucha 等压到 4/3( «图版已解决 »!); «asymmetric TSP» 被 Svensson–... 破到 O(log log log)(2020s)。开放核心:把 ε 放大—— «KKO 机器 » 的 «长尾 » 是 «技术 » 还是 «本质 »; «亚多面体间隙 4/3» 的独立证明( «LP 侧 » 的 «干净 » 目标); «图 TSP» 的 4/3 到 «一般度量 » 的 «桥 »。

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