РефератыИнформатика, программированиеЛеЛекции по вычислительной математике

Лекции по вычислительной математике

Вычислительная математика



Специальность ПО


5-й семестр




Конспект лекций




Лекция 1


Общее описание метода ветвей и границ организации пол-ного перебора возможностей
. Решение задачи о коммивояжере методом ветвей и границ: основная схема.



Пусть - конечное множество и - ве-щественно-значная функция на нем; требуется найти минимум


этой функции и элемент множества, на котором этот минимум


достигается.


Когда имеется та или иная дополнительная информация о множестве, решение этой задачи иногда удается осуществить без полного перебора элементов всего множества M
. Но чаще


всего полный перебор производить приходится. В этом случае


обязательно возникает задача, как лучше перебор организовать.


Метод ветвей и границ - это один из методов организации полного перебора. Он применим не всегда, а только тогда, когда


выполняются специфические дополнительные условия на множе-


ство M
и минимизируемую на нем функцию. А именно, -


предположим
, что имеется вещественно-значная функция j
на множестве подмножеств множества M
со следующими двумя свойствами:


1) для (здесь - множество, состоящее


из единственного элемента );


2) если и , то .


В этих условиях можно организовать перебор элементов множества M
с целью минимизации функции на этом множестве так:


разобьем множество M
на части (любым способом) и выбе-


рем ту из его частей W1
, на которой функция j
минимальна; за-тем разобьем на несколько частей множество W1
и выберем ту из его частей W2
, на которой минимальна функция j
; затем разо-бьем W2
на несколько частей и выберем ту из них, где минималь-на j,
и так далее, пока не придем к какому-либо одноэлементно-му множеству
.


Это одноэлементное множество называется рекордом
.


Функция j
, которой мы при этом выборе пользуемся, называется


оценочной.
Очевидно, что рекорд не обязан доставлять минимум


функции f
; однако, вот какая возможность возникает сократить


перебор при благоприятных обстоятельствах
.


Описанный выше процесс построения рекорда состоял из последовательных этапов, на каждом из которых фиксировалось


несколько множеств и выбиралось затем одно из них. Пусть


- подмножества множества M
, возникшие на предпослед-нем этапе построения рекорда, и пусть множество оказалось


выбранным с помощью оценочной функции. Именно при разбие-нии и возник рекорд, который сейчас для определенности обозначим через . Согласно сказанному выше, ,


; кроме того, по определению оценочной функции, .


Предположим, что ; тогда для любого элемента m
множества M
, принадлежащего множеству , будут верны не-


равенства; это значит, что при полном пере-


боре элементов из M
элементы из уже вообще не надо рас-


сматривать. Если же неравенство не будет выполне-


но, то все элементы из надо последовательно сравнить с най-


денным рекордом и как только отыщется элемент, дающий мень-


шее значение оптимизируемой функции, надо им заменить ре-корд и продолжить перебор. Последнее действие называется


улучшением рекорда.


Слова метод ветвей и границ
связаны с естественной гра-


фической интерпретацией всего изложенного: строится много-


уровневое дерево, на нижнем этаже которого располагаются


элементы множества M
, на котором ветви ведут к рекорду и его


улучшениям и на котором часть ветвей остаются «оборванными»,


потому что их развитие оказалось нецелесообразным.


Мы рассмотрим сейчас первый из двух запланированных в


этом курсе примеров применения метода ветвей и границ - ре-шение задачи о коммивояжере.
Вот ее формулировка.


Имеется несколько городов, соединеных некоторым обра-зом дорогами с известной длиной; требуется установить, имеет-


ся ли путь, двигаясь по которому можно побывать в каждом горо-


де только один раз и при этом вернуться в город, откуда путь был начат («обход коммивояжера»), и, если таковой путь имеет-


ся, установить кратчайший из таких путей.


Формализуем условие в терминах теории графов. Города


будут вершинами графа, а дороги между городами - ориентиро-ванными (направленными) ребрами графа, на каждом из кото-рых задана весовая функция: вес ребра - это длина соответству-


ющей дороги. Путь, который требуется найти, это - ориентиро-ванный остовный простой цикл минимального веса в орграфе (напомним: цикл называется остовным
, если он проходит по всем вершинам графа; цикл называется простым
, если он прохо-


дит по каждой своей вершине только один раз; цикл называется


ориентированным
, если начало каждого последующего ребра совпадает с концом предыдущего; вес
цикла - это сумма весов его ребер; наконец, орграф называется полным
, если в нем име-ются все возможные ребра); такие циклы называются также га-


мильтоновыми.


Очевидно, в полном орграфе циклы указанного выше типа есть. Заметим, что вопрос о наличии в орграфе гамильтонова цикла достаточно рассмотреть как частный случай задачи о ком-мивояжере для полных орграфов. Действительно, если данный орграф не является полным, то его можно дополнить до полного недостающими ребрами и каждому из добавленных ребер при-писать вес ¥, считая, что &y

en; - это «компьютерная бесконечность», т.е. максимальное из всех возможных в рассмотрениях чисел. Если во вновь построенном полном орграфе найти теперь лег-чайший гамильтонов цикл, то при наличии у него ребер с весом ¥ можно будет говорить, что в данном, исходном графе «цикла коммивояжера» нет. Если же в полном орграфе легчайший га-мильтонов цикл окажется конечным по весу, то он и будет иско-мым циклом в исходном графе.


Отсюла следует, что задачу о коммивояжере достаточно ре-шить для полных орграфов с весовой функцией. Сформулируем


теперь это в окончательном виде:


пусть
- полный ориентированный граф и
-


весовая функция; найти простой остовный ориентированный цикл («цикл коммивояжера») минимального веса.


Пусть конкретный состав множества вершин и


- весовая матрица данного орграфа, т.е.


,


причем для любого .


Рассмотрение метода ветвей и границ для решения задачи о коммивояжере удобнее всего проводить на фоне конкретного


примера. Пользуясь введенными здесь обозначениями, мы проводим это описание в следующей лекции.


Введем некоторые термины. Пусть имеется некоторая чис-


ловая матрица. Привести строку этой матрицы
означает выде-лить в строке минимальный элемент (его называют константой приведения
) и вычесть его из всех элементов этой строки. Оче-видно, в результате в этой строке на месте минимального эле-мента окажется ноль, а все остальные элементы будут неотрица-тельными. Аналогичный смысл имеют слова привести столбец
матрицы.


Слова привести матрицу по строкам
означают, что все строки матрицы приводятся. Аналогичный смысл имеют слова


привести матрицу по столбцам
.


Наконец, слова привести матрицу
означают, что матрица


сначала приводится по строкам, а потом приводится по столб-цам.


Весом
элемента матрицы называют сумму констант приве-


дения матрицы, которая получается из данной матрицы заменой обсуждаемого элемента на ¥. Следовательно, слова самый тяжелый нуль в матрице
означают, что в матрице подсчитан вес каждого нуля, а затем фиксирован нуль с максимальным весом.


Приступим теперь к описанию метода ветвей и границ для


решения задачи о коммивояжере.


Первый шаг
. Фиксируем множество всех обходов коммиво-


яжера (т.е. всех простых ориентированных остовных циклов). По-


скольку граф - полный, это множество заведомо непусто. Сопо-ставим ему число, которое будет играть роль значения на этом


множестве оценочной функции: это число равно сумме констант


приведения данной матрицы весов ребер графа. Если множест-во всех обходов коммивояжера обозначить через G, то сумму


констант приведения матрицы весов обозначим через j(G). При-веденную матрицу весов данного графа следует запомнить; обо-значим ее через M
1
; таким образом, итог первого шага:


множеству G всех обходов коммивояжера сопоставлено чис-ло j(G) и матрица M
1
.


Второй шаг.
Выберем в матрице M
1
самый тяжелый нуль; пусть он стоит в клетке ; фиксируем ребро графа и раз-


делим множество G на две части: на часть , состоящую из


обходов, которые проходят через ребро , и на часть ,


состоящую из обходов, которые не проходят через ребро .


Сопоставим множеству следующую матрицу M
1
,1
: в


матрице M
1
заменим на ¥ число в клетке . Затем в получен-ной матрице вычеркнем строку номер i
и столбец номер j
, причем у оставшихся строк и столбцов сохраним их исходные номера. Наконец, приведем эту последнюю матрицу и запомним сумму констант приведения. Полученная приведенная матрица и будет матрицей M
1
,1
; только что запомненную сумму констант приведения прибавим к j(G) и результат, обозначаемый в даль-нейшем через j(), сопоставим множеству .


Теперь множеству тоже сопоставим некую матрицу


M
1,2
. Для этого в матрице M
1
заменим на ¥ число в клетке


и полученную в результате матрицу приведем. Сумму констант


приведения запомним, а полученную матрицу обозначим через M
1,2
. Прибавим запомненную сумму констант приведения к


числу j(G) и полученное число, обозначаемое в дальнейшем че-


рез j(), сопоставим множеству .


Теперь выберем между множествами и то, на


котором минимальна функция j (т.е. то из множеств, которому


соответствует меньшее из чисел j() и j().


Заметим теперь, что в проведенных рассуждениях исполь-зовался в качестве исходного только один фактический объект - приведенная матрица весов данного орграфа. По ней было вы-делено определенное ребро графа и были построены новые


матрицы, к которым, конечно, можно все то же самое применить.


При каждом таком повторном применении будет фиксироваться очередное ребро графа. Условимся о следующем действии
: пе-ред тем, как в очередной матрице вычеркнуть строку и столбец,


в ней надо заменить на ¥ числа во всех тех клетках, которые со-ответвуют ребрам, заведомо не принадлежащим тем гамильто-новым циклам, которые проходят через уже отобранные ранее ребра; эту довольно трудную фразу мы еще не раз рассмотрим в


следующей лекции на конкретном примере.


К выбранному множеству с сопоставленными ему матрицей и числом j повторим все то же самое и так далее, пока это воз-можно.


Доказывается, что в результате получится множество, со-стоящее из единственного обхода коммивояжера, вес которого равен очередному значению функции
j; таким образом, оказы-ваются выполненными все условия, обсуждавшиеся при описа-нии метода ветвей и границ.


После этого осуществляется улучшение рекорда вплоть до получения окончательного ответа.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Лекции по вычислительной математике

Слов:1593
Символов:12472
Размер:24.36 Кб.