|
Serwis Edukacyjny w I-LO w Tarnowie
Materiały dla uczniów liceum |
Wyjście Spis treści Wstecz Dalej
Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek |
©2026 mgr Jerzy Wałaszek
|
ProblemW danym grafie należy znaleźć ścieżkę o najmniejszej sumie wag krawędzi, która przechodzi dokładnie jeden raz przez każdy wierzchołek i wraca do wierzchołka startowego. |
Wyobraźmy sobie komiwojażera, który podróżuje od miasta do miasta, sprzedając swoje produkty lub zawierając różne oferty handlowe. Wyrusza z miasta rodzinnego, po czym jego trasa przebiega dokładnie jeden raz przez każde z miast. Na koniec komiwojażer powraca do swojego miasta rodzinnego. Z oczywistych powodów chce, aby trasa podróży była najkrótszą ze wszystkich możliwych tras. W ten sposób powstaje problem wędrującego komiwojażera (ang. TSP – Travelling Salesman Problem).
W terminologii grafów miasta są wierzchołkami grafu, a trasy pomiędzy nimi to krawędzie z wagami. Waga krawędzi może odpowiadać odległości pomiędzy miastami połączonymi tą krawędzią, czasowi podróży lub kosztom przejazdu – zależy, co chcemy w podróżny komiwojażera zminimalizować. Trasa komiwojażera jest cyklem przechodzącym przez każdy wierzchołek grafu dokładnie jeden raz – jest to zatem cykl Hamiltona.
Znalezienie właściwego cyklu Hamiltona jest zadaniem bardzo trudnym obliczeniowo. Wyobraźmy sobie graf zupełny (ang. complete graph – graf, w którym każdy wierzchołek jest połączony z każdym) o 10 wierzchołkach.

Ile różnych cykli Hamiltona zawiera taki graf? Otóż pierwszą krawędź
cyklu można wybrać na 9 różnych sposobów, ponieważ każdy wierzchołek grafu
jest połączony krawędzią z pozostałymi dziewięcioma. Po wyborze pierwszej
krawędzi pozostaje nam 8 możliwych wyborów, później
LH = 9×8×7×6×5×4×3×2×1 = 9! = 362880
Dla n wierzchołków:
LH = (n-1)×(n-2)×…3×2×1 = (n-1)!
Wynik jest bardzo niekorzystny, ponieważ prowadzi do wykładniczej klasy
złożoności obliczeniowej

Grafy odwzorowujące rzeczywiste sieci połączeń zwykle nie są zupełne – ekonomicznie nieuzasadnione byłoby budowanie osobnych dróg pomiędzy każdą parą miast. Zwykle drogi przebiegają od jednego miasta do drugiego, a w niektórych się rozchodzą. Dlatego opisany powyżej przypadek jest przypadkiem pesymistycznym. Jednakże problem dalej posiada wykładniczą klasę złożoności obliczeniowej. Rozważmy dla przykładu graf posiadający 100 wierzchołków. Załóżmy, iż każdy wierzchołek łączy się z czterema innymi wierzchołkami grafu. Zatem ich stopień wynosi 4. W pesymistycznym przypadku ilość cykli Hamiltona do przebadania może wynosić:
Z pierwszego wierzchołka możemy pójść na 4 różne sposoby, z drugiego na 3, z trzeciego na 3, …, i z 99 na trzy. Otrzymujemy zatem:
LH = 4×399 ≈ 3100 ≈ 5, 15×1047
Zatem dla grafu posiadającego n wierzchołków o stopniu s otrzymamy
LH ≈ (s-1)n
Czyli liczba cykli lub ścieżek do przebadania rośnie wykładniczo.
Nawet na szybkim komputerze wyznaczenie rozwiązania może przekroczyć
stulecia. Problemy algorytmiczne o złożoności wykładniczej są traktowane
jako nierozwiązywalne dla
Istnieją algorytmy znajdujące przybliżone rozwiązania problemu wędrującego komiwojażera w czasie wielomianowym, lecz są one bardzo zaawansowane i trudne w implementacji. Jeśli liczba wierzchołków w grafie nie jest duża (np. do 20) i graf nie jest grafem zupełnym (złożoność O(n!)), to rozwiązanie problemu komiwojażera możemy uzyskać prostym algorytmem, który wyznacza wszystkie cykle Hamiltona, liczy sumę wag krawędzi i zwraca cykl o najmniejszej sumie wag. Rozwiązanie to jest o tyle dobre, iż zawsze zwróci cykl optymalny, a nie przybliżony. Również jest łatwe do zrozumienia i implementacji. Podstawowa wada to wykładnicza złożoność obliczeniowa, która uniemożliwia analizę większych grafów.
K01: SH.push(v) ; Odwiedzony wierzchołek dopisujemy do ścieżki K02: Jeśli SH nie zawiera n wierzchołków, ; Jeśli brak ścieżki Hamiltona, to idź do kroku K10 ; przechodzimy do wyszukiwania K03: Jeśli nie istnieje krawędź z v do v0, ; Jeśli ścieżka Hamiltona nie jest cyklem, to idź do kroku K17 ; odrzucamy ją K04: dH ← dH + waga krawędzi z v do v0 ; Uwzględniamy w sumie wagę ostatniej krawędzi cyklu K05: Jeśli dH ≥ d, ; Jeśli znaleziony cykl jest gorszy od bieżącego, to idź do kroku K08 ; odrzucamy go K06: d ← dH ; Zapamiętujemy sumę wag cyklu K07: Skopiuj stos SH do stosu S ; oraz sam cykl Hamiltona K08: dH ← dH - waga krawędzi z v do v0 ; Usuwamy wagę ostatniej krawędzi z sumy K09: Idź do kroku K17 K10: vs[v] ← true ; Wierzchołek zaznaczamy jako odwiedzony, ; aby nie był ponownie wybierany przez DFS K11: Dla każdego sąsiada u wierzchołka v: ; Przechodzimy przez listę sąsiedztwa wykonuj kroki K12…K15 K12: Jeśli vs[u] = true, ; Omijamy wierzchołki odwiedzone to następny obieg pętli K11 K13: dH ← dH + waga krawędzi z v do u ; Obliczamy nową sumę wag krawędzi ścieżki K14: TSP(n,graf,u,v0,d,dH,S,SH,vs) ; Wywołujemy rekurencyjnie poszukiwanie cyklu K15: dH ← dH - waga krawędzi z v do u ; Usuwamy wagę krawędzi z sumy K16: vs[v] ← false ; Zwalniamy bieżący wierzchołek K17: SH.pop() ; Usuwamy bieżący wierzchołek ze ścieżki K18: Zakończ
K01: Utwórz i wyzeruj vs, S i SH K02: d ← ∞; dH ← 0 ; Początkową sumę ustawiamy jako największą z możliwych K03: TSP(n,graf,u,v0,d,dH,S,SH,vs) ; Wyszukiwanie cyklu Hamiltona rozpoczynamy ; od wierzchołka startowego K04: Jeśli S.empty() = false, ; Sprawdzamy, czy algorytm znalazł cykl Hamiltona. to pisz S oraz d ; Jeśli tak, to wypisujemy go. inaczej pisz "NO HAMILTONIAN CYCLE" K05: Zakończ
Uwaga: większość parametrów wejściowych może być zrealizowana jako zmienne globalne, co znacznie uprości wywołania rekurencyjne.
|
Uwaga: Zanim uruchomisz program, przeczytaj wstęp do tego artykułu, w którym wyjaśniamy funkcje tych programów oraz sposób korzystania z nich. |
| Poniższy program jest przykładową
realizacją algorytmu rozwiązywania problemu komiwojażera.
Z uwagi na wykładniczą klasę złożoności obliczeniowej program
potrafi w rozsądnym czasie znaleźć rozwiązanie tylko dla grafów o niewielkiej
liczbie węzłów (powiedzmy, do 20).
Definicja danych wejściowych jest następująca: W pierwszym wierszu program odczytuje kolejno liczbę Jako wierzchołek startowy program przyjmuje wierzchołek Na wyjściu zostaje wypisany cykl Hamiltona o najmniejszej sumie wag krawędzi oraz wartość tej sumy. Jeśli graf nie zawiera cyklu Hamiltona, to pojawi się napis: NO HAMILTONIAN CYCLE. |
![]() |
8 16 0 1 2 0 2 2 0 3 4 0 4 3 1 2 2 1 5 1 1 6 1 2 4 2 2 5 1 3 5 2 3 7 3 4 6 4 4 7 5 5 6 2 5 7 2 6 7 2 |
Pascal// Problem komiwojażera
// Data: 22.03.2014
// (C)2014 mgr Jerzy Wałaszek
//---------------------------
program TSProblem;
// Typy dla dynamicznej
// macierzy sąsiedztwa
type
// Wiersz tablicy sąsiedztwa
nptr = array of boolean;
// Wiersz macierzy wag krawędzi
wnptr = array of integer;
// Zmienne globalne
var
n,m,v0,d,dh,sptr,shptr : integer;
// Macierz sąsiedztwa
A : array of nptr;
// Macierz wag
W : array of wnptr;
// Stosy w tablicy
S, Sh : array of integer;
// Tablica odwiedzin
vs : array of boolean;
// Rekurencyjna procedura
// poszukiwania cyklu Hamiltona
// o najmniejszej sumie wag krawędzi
// v - wierzchołek bieżący
//----------------------------------
procedure TSP(v : integer);
var
u : integer;
begin
// zapamiętujemy na stosie
// bieżący wierzchołek
Sh[shptr] := v;
inc(shptr);
// jeśli brak ścieżki Hamiltona,
// to jej szukamy
if shptr < n then
begin
// Oznaczamy bieżący wierzchołek
// jako odwiedzony
vs[v] := true;
// Przeglądamy sąsiadów
// wierzchołka v
for u := 0 to n-1 do
// Szukamy nieodwiedzonego
// jeszcze sąsiada
if A[v][u] and not vs[u] then
begin
// Dodajemy wagę krawędzi
// v - u do sumy
inc(dh, W[v][u]);
// Rekurencyjnie wywołujemy
// szukanie cyklu Hamiltona
TSP(u);
// Usuwamy wagę krawędzi
// z sumy
dec(dh, W[v][u]);
end;
// Zwalniamy bieżący wierzchołek
vs[v] := false;
end
// Jeśli znaleziona ścieżka
// jest cyklem Hamiltona,
else if A[v0][v] then
begin
// to sprawdzamy,
// czy ma najmniejszą sumę wag
inc(dh, W[v][v0]);
// Jeśli tak,
if dh < d then
begin
// To zapamiętujemy tę sumę
d := dh;
// oraz kopiujemy stos Sh do S
for u := 0 to shptr-1 do
S[u] := Sh[u];
sptr := shptr;
end;
// Usuwamy wagę krawędzi
// v - v0 z sumy
dec(dh, W[v][v0]);
end;
// Usuwamy bieżący
// wierzchołek ze ścieżki
dec(shptr);
end;
//**********************
//*** Program główny ***
//**********************
var
i, j, x, y, z : integer;
begin
// Czytamy liczbę
// wierzchołków i krawędzi
read(n, m);
// Tworzymy struktury
// dynamiczne i inicjujemy je
SetLength(S, n);
SetLength(Sh, n);
SetLength(vs, n);
SetLength(A, n);
SetLength(W, n);
for i := 0 to n-1 do
begin
SetLength(A[i], n);
SetLength(W[i], n);
for j := 0 to n-1 do
begin
A[i][j] := false;
W[i][j] := 0;
end;
vs[i] := false;
end;
sptr := 0;
shptr := 0;
// Odczytujemy dane wejściowe
for i := 0 to m-1 do
begin
read(x, y, z);
// Krawędź x - y
A[x][y] := true;
A[y][x] := true;
// Waga krawędzi x - y
W[x][y] := z;
W[y][x] := z;
end;
writeln;
// Rozpoczynamy algorytm
d := MAXINT;
dh := 0;
v0 := 0;
TSP(v0);
if sptr > 0 then
begin
for i := 0 to sptr-1 do
write(S[i], ' ');
writeln(v0);
writeln('d = ', d);
end
else
writeln('NO HAMILTONIAN CYCLE');
writeln;
// Usuwamy tablice dynamiczne
SetLength(S, 0);
SetLength(Sh, 0);
SetLength(vs, 0);
for i := 0 to n-1 do
begin
SetLength(A[i], 0);
SetLength(W[i], 0);
end;
SetLength(A, 0);
SetLength(W, 0);
end.
|
// Problem komiwojażera
// Data: 22.03.2014
// (C)2014 mgr Jerzy Wałaszek
//---------------------------
#include <iostream>
using namespace std;
const int MAXINT = 2147483647;
// Zmienne globalne
int n,m,v0,d,dh,sptr,shptr;
// Macierz sąsiedztwa
bool **A;
// Macierz wag krawędzi
int **W;
// Stosy w tablicy
int *S, *Sh;
// Tablica odwiedzin
bool *vs;
// Rekurencyjna procedura
// poszukiwania cyklu Hamiltona
// o najmniejszej sumie
// wag krawędzi
// v - wierzchołek bieżący
//-----------------------------
void TSP(int v)
{
int u;
// zapamiętujemy na stosie
// bieżący wierzchołek
Sh[shptr++] = v;
// jeśli brak ścieżki
// Hamiltona, to jej szukamy
if(shptr < n)
{
// Oznaczamy bieżący
// wierzchołek
// jako odwiedzony
vs[v] = true;
// Przeglądamy sąsiadów
// wierzchołka v
for(u = 0; u < n; u++)
// Szukamy nieodwiedzonego
// jeszcze sąsiada
if(A[v][u] && !vs[u])
{
// Dodajemy wagę
// krawędzi v - u do sumy
dh += W[v][u];
// Rekurencyjnie
// wywołujemy szukanie
// cyklu Hamiltona
TSP(u);
// Usuwamy wagę
// krawędzi z sumy
dh -= W[v][u];
}
// Zwalniamy
// bieżący wierzchołek
vs[v] = false;
}
// Jeśli znaleziona ścieżka
// jest cyklem Hamiltona,
else if(A[v0][v])
{
// to sprawdzamy,
// czy ma najmniejszą
// sumę wag
dh += W[v][v0];
// Jeśli tak,
if(dh < d)
{
// to zapamiętujemy tę sumę
d = dh;
// oraz kopiujemy
// stos Sh do S
for(u = 0; u < shptr; u++)
S[u] = Sh[u];
sptr = shptr;
}
// Usuwamy wagę krawędzi
// v - v0 z sumy
dh -= W[v][v0];
}
// Usuwamy bieżący
// wierzchołek ze ścieżki
shptr--;
}
//**********************
//*** Program główny ***
//**********************
int main()
{
int i, j, x, y, z;
// Czytamy liczbę
// wierzchołków i krawędzi
cin >> n >> m;
// Tworzymy struktury
// dynamiczne i inicjujemy je
S = new int [n];
Sh = new int [n];
vs = new bool [n];
A = new bool * [n];
W = new int * [n];
for(i = 0; i < n; i++)
{
A[i] = new bool [n];
W[i] = new int [n];
for(j = 0; j < n; j++)
{
A[i][j] = false;
W[i][j] = 0;
}
vs[i] = false;
}
sptr = shptr = 0;
// Odczytujemy dane wejściowe
for(i = 0; i < m; i++)
{
cin >> x >> y >> z;
// Krawędź x - y
A[x][y] = A[y][x] = true;
// Waga krawędzi x - y
W[x][y] = W[y][x] = z;
}
cout << endl;
// Rozpoczynamy algorytm
d = MAXINT;
dh = v0 = 0;
TSP(v0);
if(sptr)
{
for(i = 0; i < sptr; i++)
cout << S[i] << " ";
cout << v0 << endl;
cout << "d = " << d << endl;
}
else
cout << "NO HAMILTONIAN CYCLE"
<< endl;
cout << endl;
// Usuwamy tablice dynamiczne
delete [] S;
delete [] Sh;
delete [] vs;
for(i = 0; i < n; i++)
{
delete [] A[i];
delete [] W[i];
}
delete [] A;
delete [] W;
return 0;
}
|
Basic' Problem komiwojażera
' Data: 22.03.2014
' (C)2014 mgr Jerzy Wałaszek
'---------------------------
Const MAXINT = 2147483647
' Zmienne globalne
Dim Shared As Integer n,m,v0,d
Dim Shared As Integer dhx,sptr,shptr
' Macierz sąsiedztwa
Dim Shared As Byte Ptr Ptr A
' Macierz wag krawędzi
Dim Shared As Integer Ptr Ptr W
' Stosy w tablicy
Dim Shared As Integer Ptr S, Sh
' Tablica odwiedzin
Dim Shared As Byte Ptr vs
' Rekurencyjna procedura
' poszukiwania cyklu Hamiltona
' o najmniejszej sumie wag krawędzi
' v - wierzchołek bieżący
'----------------------------------
Sub TSP (ByVal v As Integer)
Dim As Integer u
' zapamiętujemy na stosie
' bieżący wierzchołek
Sh[shptr] = v
shptr += 1
' jeśli brak ścieżki Hamiltona,
' to jej szukamy
If shptr < n Then
' Oznaczamy bieżący
' wierzchołek jako odwiedzony
vs[v] = 1
' Przeglądamy sąsiadów
' wierzchołka v
For u = 0 To n-1
' Szukamy nieodwiedzonego
' jeszcze sąsiada
If (A[v][u] = 1) AndAlso _
(vs[u] = 0) Then
' Dodajemy wagę
' krawędzi v - u do sumy
dhx += W[v][u]
' Rekurencyjnie wywołujemy
' szukanie cyklu Hamiltona
TSP(u)
' Usuwamy wagę
' krawędzi z sumy
dhx -= W[v][u]
End If
Next
' Zwalniamy bieżący wierzchołek
vs[v] = 0
' Jeśli znaleziona ścieżka
' jest cyklem Hamiltona,
ElseIf A[v0][v] = 1 Then
' to sprawdzamy,
' czy ma najmniejszą sumę wag
dhx += W[v][v0]
' Jeśli tak,
If dhx < d Then
' To zapamiętujemy tę sumę
d = dhx
' oraz kopiujemy stos Sh do S
For u = 0 To shptr-1
S[u] = Sh[u]
Next
sptr = shptr
End If
' Usuwamy wagę krawędzi
' v - v0 z sumy
dhx -= W[v][v0]
End If
' Usuwamy bieżący
' wierzchołek ze ścieżki
shptr -= 1
End Sub
'**********************
'*** Program główny ***
'**********************
Dim as Integer i, j, x, y, z
Open Cons For Input As #1
' Czytamy liczbę
' wierzchołków i krawędzi
Input #1, n, m
' Tworzymy struktury
' dynamiczne i inicjujemy je
S = New Integer [n]
Sh = New Integer [n]
vs = New Byte [n]
A = New Byte Ptr [n]
W = New Integer Ptr [n]
For i = 0 To n-1
A[i] = New Byte [n]
W[i] = New Integer [n]
For j = 0 To n-1
A[i][j] = 0
W[i][j] = 0
Next
vs[i] = 0
Next
sptr = 0
shptr = 0
' Odczytujemy dane wejściowe
For i = 0 To m-1
Input #1, x, y, z
' Krawędź x-y
A[x][y] = 1
A[y][x] = 1
' Waga krawędzi x-y
W[x][y] = z
W[y][x] = z
Next
Close #1
Print
' Rozpoczynamy algorytm
d = MAXINT
dhx = 0
v0 = 0
TSP(v0)
If sptr > 0 Then
For i = 0 To sptr-1
Print S[i];
Next
Print v0
Print " d =";d
Else
Print "NO HAMILTONIAN CYCLE"
End If
Print
' Usuwamy tablice dynamiczne
Delete [] S
Delete [] Sh
Delete [] vs
For i = 0 To n-1
Delete [] A[i]
Delete [] W[i]
Next
Delete [] A
Delete [] W
End
|
Python
(dodatek)# Problem komiwojażera
# Data: 7.03.2025
# (C)2025 mgr Jerzy Wałaszek
#---------------------------
MAXINT = 2147483647
# Rekurencyjna procedura
# poszukiwania cyklu Hamiltona
# o najmniejszej sumie wag krawędzi
# v - wierzchołek bieżący
#----------------------------------
def tsp(v):
global s,sh,shptr,sptr,n,m,vs,a,dhx,w,v0,d
# zapamiętujemy na stosie
# bieżący wierzchołek
sh[shptr] = v
shptr += 1
# jeśli brak ścieżki Hamiltona,
# to jej szukamy
if shptr < n:
# Oznaczamy bieżący
# wierzchołek jako odwiedzony
vs[v] = True
# Przeglądamy sąsiadów
# wierzchołka v
for u in range(n):
# Szukamy nieodwiedzonego
# jeszcze sąsiada
if a[v][u] and not vs[u]:
# Dodajemy wagę
# krawędzi v - u do sumy
dhx += w[v][u]
# Rekurencyjnie wywołujemy
# szukanie cyklu Hamiltona
tsp(u)
# Usuwamy wagę
# krawędzi z sumy
dhx -= w[v][u]
# Zwalniamy bieżący wierzchołek
vs[v] = False
# Jeśli znaleziona ścieżka
# jest cyklem Hamiltona,
elif a[v0][v]:
# to sprawdzamy,
# czy ma najmniejszą sumę wag
dhx += w[v][v0]
# Jeśli tak,
if dhx < d:
# To zapamiętujemy tę sumę
d = dhx
# oraz kopiujemy stos Sh do S
for u in range(shptr):
s[u] = sh[u]
sptr = shptr
# Usuwamy wagę krawędzi
# v - v0 z sumy
dhx -= w[v][v0]
# Usuwamy bieżący
# wierzchołek ze ścieżki
shptr -= 1
#**********************
#*** Program główny ***
#**********************
# Czytamy liczbę
# wierzchołków i krawędzi
q = input().split()
n = int(q[0])
m = int(q[1])
# Tworzymy struktury
# dynamiczne i inicjujemy je
s = [0] * n
sh = [0] * n
vs = [False] * n
a = []
w = []
for i in range(n):
q = [False] * n
r = [0] * n
a.append(q)
w.append(r)
del q,r
sptr = 0
shptr = 0
# Odczytujemy dane wejściowe
for i in range(m):
q = input().split()
x = int(q[0])
y = int(q[1])
z = int(q[2])
# Krawędź x-y
a[x][y] = True
a[y][x] = True
# Waga krawędzi x-y
w[x][y] = z
w[y][x] = z
print()
# Rozpoczynamy algorytm
d = MAXINT
dhx = 0
v0 = 0
tsp(v0)
if sptr > 0:
for i in range(sptr):
print(s[i],end=" ")
print(v0)
print(" d =",d)
else:
print("NO HAMILTONIAN CYCLE")
print()
# Usuwamy tablice dynamiczne
del s,sh,vs
for i in range(n):
a[i] = None
w[i] = None
del a,w
|
| Wynik: | |
![]() |
|
8 16 0 1 2 0 2 2 0 3 4 0 4 3 1 2 2 1 5 1 1 6 1 2 4 2 2 5 1 3 5 2 3 7 3 4 6 4 4 7 5 5 6 2 5 7 2 6 7 2 0 1 6 7 3 5 2 4 0 d = 16 |
|
![]() |
Zespół Przedmiotowy Chemii-Fizyki-Informatyki w I Liceum Ogólnokształcącym im. Kazimierza Brodzińskiego w Tarnowie ul. Piłsudskiego 4 ©2026 mgr Jerzy Wałaszek |
Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.
Pytania proszę przesyłać na adres email:
Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe.