3.2. Минимизация сети

Задача минимизации сети состоит в нахождении ребер, со­единяющих все узлы сети и имеющих минимальную суммар­ную длину (рис. 3.17).

Рис. 3.17

На ребрах, соединяющих узлы 1, 2, 3, указаны длины. Узел 3 соединен с узлами 1 и 2 минимальной длиной 4 + 6 = 10. Если соединить узлы 1 и 2, то возникает цикл и получающаяся сеть не будет минимальной. Отсутствие циклов в минимальной сети дало ей название "минимальное дерево-остов".

Алгоритм решения

Начнем с любого узла и соединим его с ближайшим уз­лом сети. Соединенные два узла образуют связное множество, а остальные — несвязное. Далее в несвязном множестве выбе­рем узел, который расположен ближе других к любому из узлов связного множества. Скорректируем связное и несвязное мно­жества и будем повторять процесс до тех пор, пока в связное множество не попадут все узлы сети. В случае одинаково уда­ленных узлов выберем любой из них, что указывает на неодно­значность (альтернативность) "минимального дерева-остова".

Пример 2. Телевизионная фирма планирует создание кабель­ной сети для обслуживания 5 районов-новостроек. Числа на ребрах указывают длину кабеля (рис. 3.18). Узел 1 — телеви­зионный центр. Отсутствие ребра между двумя узлами означа­ет, что соединение соответствующих новостроек либо связано с большими затратами, либо невозможно.

Рис. 3.18 Рис. 3.19

Найти такое соединение кабелем районов-новостроек, что­бы длина его была минимальной.

Решение. Минимальная длина кабеля: 1 + 3 + 4 + 3 + 5 = 16 (рис. 3.19).

Пример 3. На рис. 3.20 указаны длины коммуникаций, свя­зывающих 9 установок по добыче газа в открытом море с рас­положенным на берегу приемным пунктом. Поскольку скважи­на 1 расположена ближе всех к берегу, она оснащена необходи­мым оборудованием для перекачки газа, идущего с остальных скважин в приемный пункт.

Построить сеть трубопровода, соединяющего все скважины с приемным пунктом и имеющего минимальную общую длину труб.

Рис. 3.20 Рис. 3.21

Решение. Минимальная длина труб: 5 + 6 + 4 + 3 + 7 + 5 + 6 + 5 = 41 (рис. 3.21).

Нахождение кратчайшего пути

Задача состоит в нахождении связанных между собой до­рог на транспортной сети, которые в совокупности имеют ми­нимальную длину от исходного пункта до пункта назначения.

Введем обозначения:

d_ij — расстояние на сети между смежными узлами i и j;

U_j — кратчайшее расстояние между узлами i и j, U₁ = 0.

Формула для вычисления U_j:

Из формулы следует, что кратчайшее расстояние U_j до уз­ла j можно вычислить лишь после того, как определено крат­чайшее расстояние до каждого предыдущего узла i, соединен­ного дугой с узлом j. Процедура завершается, когда получено U_i последнего звена.

Определить кратчайшее расстояние между узлами 1 и 7 (рис. 3.22).

Рис. 3.22

Решение. Найдем минимальные расстояния:

Минимальное расстояние между узлами 1 и 7 равно 13, а соответствующий маршрут: 1-2-5-7.

Задача замены автомобильного парка

Фирма по прокату автомобилей планирует замену автомо­бильного парка на очередные 5 лет. Автомобиль должен про­работать не менее 1 года, прежде чем фирма поставит вопрос о его замене. На рис. 3.23 приведены стоимости замены авто­мобилей (усл. ед.), зависящие от времени замены и количества лет, в течение которых автомобиль находился в эксплуатации.

Рис. 3.23

Определить план замены автомобилей, обеспечивающий при этом минимальные расходы.

Решение. Найдем минимальные расстояния:

Кратчайший путь 1-2-5 со стоимостью 12,1 усл. ед. Это означает, что каждый автомобиль заменяется через 2 года, а через 5 — списывается.