欧几里德平面上Steiner树的构建及相关优化问题研究

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Steiner树问题是组合最优化理论研究中的一个经典问题,也是一个重要问题。在过去二、三十年中,Steiner树及其各种推广与变形问题是研究的热点问题。经典Steiner树问题及其推广形式都是NP-难的,它们在超大规模集成电路设计、无线通讯等方面有着重要的应用。  本文把Steiner树问题的研究与网络构建问题相结合,研究了关于Steiner树问题的几类变形构建问题,设计出了解决相应问题的一些近似算法,还考虑了满Steiner树问题的几个相关问题。  全文分为七章内容:  第一章介绍了组合最优化理论的背景知识、Steiner树问题的由来,及本文得到的主要研究成果。  第二章介绍了图论、组合最优化的相关概念和几类常见的优化问题。  第三章研究了欧几里德平面上Steiner树构建问题的两种方式,即最小费用Steiner点和边问题(简记为MCSPE),以及最小费用Steiner点和材料根数问题(简记为MCSPPSM)。对于MCSPE问题,我们设计了两个3-近似算法来解决,时间复杂性分别为(O)(n4)和(O)(n3);对于MCSPPSM问题,通过利用装箱问题的FFD算法,我们设计出了近似值分别为4,3.64,3.236的三个近似算法,其时间复杂性分别为(O)(n2),(O)(n3)和(O)(n4)。  第四章引入了网格分层思想,设计出了在欧几里德平面上寻找所有4-星的网格分层算法。利用这个算法对解决第三章中两个构建问题的算法进行了优化,大幅地降低了算法的时间复杂性,即对于MCSPE问题,设计了时间复杂性为(O)(n2·logn)的3-近似算法,对于MCSPPSM问题,设计了时间复杂性为(O)(n2·logn)的3.236-近似算法。  第五章研究了欧几里德平面上满Steiner树构建问题的几种方式,即对于欧几里德平面上满Steiner树构建问题(简记为MLFST),通过利用解决最小支撑树问题的算法,我们设计了一个关于MLFST问题的时间复杂性为(O)(n2)的渐进近似算法,满足OUT≤1.214OPT+0.5;对于材料根数最少的满Steiner树构建问题(简记为MNFST),我们设计了两个时间复杂性均为(O)(n2)的渐进近似算法,其分别满足OUT≤2.428OPT+1以及OUT≤2.124OPT+1.5;同时,对于最少Steiner点限制性满Steiner树构建问题(简记为MNSCFST),我们设计了一个时间复杂性为(O)(n2)的5-近似算法;对于最少Steiner点、边费用限制性满Steiner树构建问题(简记为MCSLCFST),我们设计了一个启发式算法。  第六章讨论了欧几里德平面上满Steiner树扩展问题与在欧几里德平面上满Steiner树的构建问题的异同,并且通过利用解决在网络构建中MNSCFST问题的算法,设计了一个解决在欧几里德平面上满Steiner树扩展问题要求下的MNSCFST问题的7-近似算法,时间复杂性为(O)(n2)。  第七章对上述工作进行了总结,并对未来工作进行展望。
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