組合せとグラフの理論（塩田）第8回 (3)　郵便配達員問題
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郵便配達員問題の問題設定

郵便配達員問題　連結な重み付きグラフ $G$ において、 全ての辺を 1 回以上通る閉じた歩道で重み最小のものを求めよ。
※　郵便配達員さんは全ての道を通って配達をして、最後は郵便局へ帰って来なければなりません。 その最短ルートを求める問題です。

オイラーグラフ・半オイラーグラフの場合

Prop.8　$G$ がオイラーグラフであれば、オイラーサーキットが郵便配達員問題の解である。
証明　定義より。(証明終)
Prop.9　$G$ がオイラーグラフでない半オイラーグラフであれば、 以下のアルゴリズムにより郵便配達員問題の解が求まる。
  1. 奇数次数の 2 頂点を $u$, $v$ とする。
  2. Alg.5 を用いて最短の $u$-$v$ 道 $P$ を求める。
  3. $P$ 上の辺を二重化したグラフを $G'$ とする。
  4. $G'$ のオイラーサーキットを出力する。
Ex.10　次のグラフで郵便配達員問題を解きましょう。
　奇数次数の頂点は $A$, $F$ の 2 個なので、 最短の $A$-$F$ 道を求めると
となります。 この辺を二重化すると図のように全ての頂点の次数が偶数になり、 そのオイラーサーキットが解になります。


奇数次数の頂点が 4 個の場合

　では奇数次数の頂点が 4 個のときはどうでしょうか。
Ex.11　次のグラフで郵便配達員問題を解きましょう。
　やはり何本かの辺を二重化してオイラーグラフにします。 今度は奇数次数の頂点が 4 個ですので、 2 本以上の辺を二重化する必要があります。

(1)　$uv$ と $wx$ を二重化
$\Rightarrow$ 重みは 4 増える		 (2)　$uw$ と $vx$ を二重化
$\Rightarrow$ 重みは 3 増える		 (3)　$ux$ と $vw$ を二重化
$\Rightarrow$ 重みは 5 増える

　(2) の場合が重みが最小になるので、 $uw$ と $vx$ を二重化したグラフでオイラーサーキットを求めます。
　これを一般化すると
Prop.12　連結な重み付きグラフ $G$ において、 奇数次数の頂点が $u$, $v$, $w$, $x$ の 4 個であれば、 以下のアルゴリズムにより郵便配達員問題の解が求まる。
  1. Alg.5 を用いて
    • 最短の $u$-$v$ 道と、最短の $w$-$x$ 道
    • 最短の $u$-$w$ 道と、最短の $v$-$x$ 道
    • 最短の $u$-$x$ 道と、最短の $v$-$w$ 道
    を求める。
  2. 1°の 3 通りのうち、距離の合計が最小の場合の、最短路上の辺を二重化したグラフを $G'$ とする。
  3. $G'$ のオイラーサーキットを出力する。

もっと一般の場合

Rem.13　奇数次数の頂点が多数あるときは、 Prop.12 1°のような組み合わせの場合の数が膨大になるので、 後日勉強する「マッチング」のアルゴリズムを応用することになります。

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