Math Labs
Định lýĐã chứng minh

Đường đi ngắn nhất là một lũy thừa ma trận nhiệt đới

Phát biểu

Cho AA là ma trận trọng số (min⁡,+)(\min,+) của một đồ thị có hướng trên nn đỉnh không có chu trình trọng số âm. Gọi A⊗mA^{\otimes m} là tích ma trận nhiệt đới mm lần của AA với chính nó. Khi đó phần tử (A⊗(n−1))ij(A^{\otimes(n-1)})_{ij} bằng độ dài đường đi ngắn nhất từ ii đến jj trong đồ thị. Đây chính xác là đại lượng được tính bởi thuật toán Floyd–Warshall, với công thức truy hồi dij(k)=min⁡(dij(k−1), dik(k−1)+dkj(k−1))d_{ij}^{(k)} = \min\big(d_{ij}^{(k-1)},\ d_{ik}^{(k-1)} + d_{kj}^{(k-1)}\big) xây dựng A⊗(n−1)A^{\otimes(n-1)} từng đỉnh trung gian một.

Vì sao đúng?

Phần tử (A⊗m)ij(A^{\otimes m})_{ij} theo dõi độ dài của đường đi tốt nhất từ ii đến jj sử dụng **nhiều nhất mm cạnh**, vì phép nhân ma trận nhiệt đới chính xác là "kết hợp một chặng đầu và phần còn lại của hành trình bằng phép cộng, rồi chỉ giữ lại tổ hợp rẻ nhất" — chính là nguyên lý tối ưu Bellman cho đường đi ngắn nhất. Lặp lại điều này n−1n - 1 lần là đủ vì một đường đi đơn ngắn nhất trong đồ thị nn đỉnh không bao giờ cần nhiều hơn n−1n - 1 cạnh, nên việc bình phương nhiệt đới thêm nữa không thể cải thiện kết quả.

Phác thảo chứng minh

Chứng minh bằng quy nạp theo mm. Cơ sở m=1m = 1: (A⊗1)ij=Aij(A^{\otimes 1})_{ij} = A_{ij} hiển nhiên là độ dài đường đi tốt nhất dùng nhiều nhất một cạnh. Bước quy nạp: giả sử (A⊗m)ik(A^{\otimes m})_{ik} bằng độ dài đường đi ngắn nhất từ ii đến kk dùng nhiều nhất mm cạnh, với mọi kk. Khi đó (A⊗(m+1))ij=(A⊗m⊗A)ij=min⁡k((A⊗m)ik+Akj)(A^{\otimes(m+1)})_{ij} = (A^{\otimes m} \otimes A)_{ij} = \min_k\big((A^{\otimes m})_{ik} + A_{kj}\big). Bất kỳ đường đi nào từ ii đến jj với nhiều nhất m+1m+1 cạnh hoặc đã dùng nhiều nhất mm cạnh (được bao phủ bởi số hạng k=jk = j, Ajj=0A_{jj} = 0), hoặc tách thành một đường đi nhiều nhất mm cạnh từ ii đến một đỉnh kk nào đó rồi thêm một cạnh cuối k→jk \to j; lấy giá trị nhỏ nhất trên mọi kk như vậy khôi phục đúng (A⊗(m+1))ij(A^{\otimes(m+1)})_{ij}, vậy khẳng định đúng với m+1m + 1. Vì không có chu trình trọng số âm, không đường đi ngắn nhất nào cần lặp lại một đỉnh, nên mọi đường đi ngắn nhất dùng nhiều nhất n−1n - 1 cạnh; lấy m=n−1m = n - 1 cho thấy (A⊗(n−1))ij(A^{\otimes(n-1)})_{ij} chính xác là khoảng cách đường đi ngắn nhất, khớp với công thức truy hồi Floyd–Warshall, vốn tính cùng đại lượng đó bằng cách cố định lần lượt từng đỉnh trung gian thay vì đếm số cạnh.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. Diane Maclagan, Bernd Sturmfels (2015). Introduction to Tropical Geometry
  2. Grigory Mikhalkin (2005). Enumerative tropical algebraic geometry in R^2 · arXiv:math/0312530
  3. Imre Simon (1978). Limited subsets of a free monoid · DOI:10.1109/SFCS.1978.21