Das Problem des Handlungsreisenden

Fassung:

Das Problem des Handlungsreisenden

Ein Pflegedienst aus Saarlouis besucht jeden Morgen Patientinnen und Patienten in Dillingen, Lebach, Schwalbach und Völklingen und kommt danach zurück. Es ist Berufsverkehr – die Karte zeigt die Fahrzeiten in Minuten, die morgens gelten. Welche Reihenfolge ist am schnellsten? Dieses Problem heißt Problem des Handlungsreisenden (engl. Traveling Salesman Problem, TSP).

S = Saarlouis, D = Dillingen, L = Lebach, W = Schwalbach, V = Völklingen, P = Püttlingen

Merke

Eine Rundreise beginnt und endet am selben Ort und besucht jeden anderen Ort genau einmal. Jede Rundreise ist eine zulässige Lösung. Gesucht ist die optimale, also die kürzeste Rundreise.

Eine kleine Instanz untersuchen

An einem Tag besucht der Pflegedienst nur Dillingen, Schwalbach und Völklingen. Bei so wenigen Orten kann man alle Rundreisen aufschreiben.

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Fahrzeiten morgens (Minuten)

S = Saarlouis, D = Dillingen, W = Schwalbach, V = Völklingen

Freitext

Aufgabe 1: Hier stehen alle Rundreisen ab Saarlouis. Berechne für jede die Fahrzeit.

RundreiseFahrzeit (Minuten)
S → D → W → V → S
S → D → V → W → S
S → W → D → V → S
S → W → V → D → S
S → V → D → W → S
S → V → W → D → S
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Drag the Words
Aufgabe 2: Vergleiche die Fahrzeiten aus Aufgabe 1. Ergänze mit Wörtern aus dem Kasten: Je [___] Rundreisen dauern gleich lang. Die zweite ist dieselbe Rundreise [___] . Brute Force muss also nur [___] der Rundreisen prüfen.
alle ein Drittel die Hälfte 2 mit anderem Start rückwärts 3
Schnellste Tour am Morgen
Aufgabe 3: Finde die schnellste Rundreise ab Saarlouis durch Dillingen, Lebach, Schwalbach und Völklingen. Klicke die Orte der Reihe nach an.
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Lückentext
Aufgabe 4: Wie viele Rundreisen gibt es ab einem festen Start, wenn jeder Ort mit jedem direkt verbunden ist (jede Richtung zählt extra)? Bei 4 weiteren Orten: , bei 5 weiteren Orten: , bei 10 weiteren Orten: .

Aufwand beim Handlungsreisenden

Mit jedem weiteren Ort wird die Zahl der Rundreisen mit der Zahl der Orte multipliziert. Ein Rechner, der eine Million Rundreisen pro Sekunde prüft, braucht:

weitere OrteRundreisenZeit
5120sofort
103 628 800etwa 4 Sekunden
15etwa 1,3 Billionenetwa 15 Tage
20etwa 2,4 Trillionenetwa 77 000 Jahre

Die Symmetrie aus Aufgabe 2 halbiert diese Zahlen – bei 20 Orten bleiben aber immer noch über eine Trillion Rundreisen. Brute Force ist für echte Lieferrouten mit 100 Stopps aussichtslos.

Eine Heuristik: der nächste Nachbar

Greedy-Idee: Fahre von deinem aktuellen Ort immer zum nächstgelegenen noch nicht besuchten Ort. Sind alle besucht, fahre zurück zum Start.

Ab heute kommt eine Patientin in Püttlingen dazu.

Nächster Nachbar
Aufgabe 5: Plane die Tour mit Püttlingen nach dem Nächster-Nachbar-Verfahren.
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Freitext

Aufgabe 6: Die schnellste Tour durch alle sechs Orte dauert 77 Minuten. Vergleiche mit deinem Ergebnis aus Aufgabe 5. Nenne einen Vorteil und einen Nachteil des Nächster-Nachbar-Verfahrens.

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✏️ Übungen zu diesem Kapitel

2 freiwillige Aufgaben zum Üben und Weiterdenken.

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