Airplane refueling problem is a nonlinear combinatorial optimization problem with $n!$ feasible feasible solutions. Given a fleet of $n$ airplanes with mid-air refueling technique, each airplane has a specific fuel capacity and fuel consumption rate. The fleet starts to fly together to a same target and during the trip each airplane could instantaneously refuel to other airplanes and then be dropped out. The question is how to find the best refueling policy to make the last remaining airplane travels the farthest. To solve the large scale of the airplane refueling problem in polynomial-time, we propose the definition of the sequential feasible solution by employing the data structural properties of the airplane refueling problem. We prove that if an airplane refueling problem has feasible solutions, it must have sequential feasible solutions, and its optimal feasible solution must be the optimal sequential feasible solution. Then we present the sequential search algorithm which has a computational complexity that depends on the number of sequential feasible solutions referred to $Q_n$, which is proved to be upper bounded by $2^{n-2}$ as an exponential bound that lacks of applicability on larger input for worst case. Therefore we investigate the complexity behavior of the sequential search algorithm from dynamic perspective, and find out that $Q_n$ is bounded by $\frac{m^2}{n}C_n^m$ when the input $n$ is greater than $2m$. Here $m$ is a constant and $2m$ is regarded as the "inflection point" of the complexity of the sequential search algorithm from exponential-time to polynomial-time. Moreover, we build an efficient computability scheme according to which we shall predict the specific complexity of the sequential search algorithm to choose a proper algorithm considering the available running time for decision makers or users.


翻译:航空加油问题是一个非线性组合优化问题,具有$n!$种可行解。给定一组$n$架飞机,使用空中加油技术,每架飞机有特定的燃油容量和燃油消耗率。这组飞机一起飞往同一个目的地,在行程中,每架飞机可以即时为其他飞机加油,然后退出。问题是如何找到最佳的加油策略,以使最后剩下的飞机走得最远。为了在多项式时间内解决航空加油问题的大规模问题,我们提出了顺序可行解的概念,通过运用航空加油问题的数据结构特性。我们证明了如果一个航空加油问题有可行解,那么它必须有顺序可行解,其最优可行解必须是最优顺序可行解。然后我们提出了顺序搜索算法,其计算复杂度取决于顺序可行解数量$Q_n$。我们证明了当输入$n$大于$2m$时,$Q_n$ 的上界可以被界定为$\frac{m^2}{n}C_n^m$,其中$m$是常数,$2m$被视为顺序搜索算法的复杂性从指数时间到多项式时间的“拐点”。此外,我们根据动态角度建立了有效的可计算性方案,根据该方案可以预测顺序搜索算法的具体复杂度,以考虑决策者或用户的可用运行时间来选择适当的算法。

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