Phase Transitions and Backbones of the Asymmetric Traveling Salesman Problem

In recent years, there has been much interest in phase transitions of combinatorial problems. Phase transitions have been successfully used to analyze combinatorial optimization problems, characterize their typical-case features and locate the hardest problem instances. In this paper, we study phase transitions of the asymmetric Traveling Salesman Problem (ATSP), an NP-hard combinatorial optimization problem that has many real-world applications. Using random instances of up to 1,500 cities in which intercity distances are uniformly distributed, we empirically show that many properties of the problem, including the optimal tour cost and backbone size, experience sharp transitions as the precision of intercity distances increases across a critical value. Our experimental results on the costs of the ATSP tours and assignment problem agree with the theoretical result that the asymptotic cost of assignment problem is pi ^2 /6 the number of cities goes to infinity. In addition, we show that the average computational cost of the well-known branch-and-bound subtour elimination algorithm for the problem also exhibits a thrashing behavior, transitioning from easy to difficult as the distance precision increases. These results answer positively an open question regarding the existence of phase transitions in the ATSP, and provide guidance on how difficult ATSP problem instances should be generated

Advanced analysis of branch and bound algorithms

Als de code van een cijferslot zoek is, kan het alleen geopend worden door alle cijfercom­binaties langs te gaan. In het slechtste geval is de laatste combinatie de juiste. Echter, als de code uit tien cijfers bestaat, moeten tien miljard mogelijkheden bekeken worden. De zogenaamde 'NP-lastige' problemen in het proefschrift van Marcel Turkensteen zijn vergelijkbaar met het 'cijferslotprobleem'. Ook bij deze problemen is het aantal mogelijkheden buitensporig groot. De kunst is derhalve om de zoekruimte op een slimme manier af te tasten. Bij de Branch and Bound (BnB) methode wordt dit gedaan door de zoekruimte op te splitsen in kleinere deelgebieden. Turkensteen past de BnB methode onder andere toe bij het handelsreizigersprobleem, waarbij een kortste route door een verzameling plaatsen bepaald moet worden. Dit probleem is in algemene vorm nog steeds niet opgelost. De economische gevolgen kunnen groot zijn: zo staat nog steeds niet vast of bijvoorbeeld een routeplanner vrachtwagens optimaal laat rondrijden. De huidige BnB-methoden worden in dit proefschrift met name verbeterd door niet naar de kosten van een verbinding te kijken, maar naar de kostentoename als een verbinding niet gebruikt wordt: de boventolerantie.