Ακέραιος Γραµµικός Προγραµµατισµός

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ακέραιος Γραµµικός Προγραµµατισµός"

Ανδώνης Ζαχαρίου
8 χρόνια πριν
Προβολές:

2 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο

3 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Εφαρµογές : Παράλληλη εκτέλεση εργασιών Χρονοπρογραµµατισµός (scheduling) Ανάθεση πόρων (resource allocation) Πρόβληµα k-ϐασιλισσών Τηλεπικοινωνίες

4 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Εφαρµογές : Επίλυση : Παράλληλη εκτέλεση εργασιών Χρονοπρογραµµατισµός (scheduling) Ανάθεση πόρων (resource allocation) Πρόβληµα k-ϐασιλισσών Τηλεπικοινωνίες Θεωρία Γράφων Γραµµικό Ακέραιο Πρόγραµµα Χαλάρωση (προσεγγιστική λύση) Μέθοδοι ακέραιου γραµµικού προγραµµατισµού

5 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Εφαρµογές : Επίλυση : Παράλληλη εκτέλεση εργασιών Χρονοπρογραµµατισµός (scheduling) Ανάθεση πόρων (resource allocation) Πρόβληµα k-ϐασιλισσών Τηλεπικοινωνίες Θεωρία Γράφων Γραµµικό Ακέραιο Πρόγραµµα Χαλάρωση (προσεγγιστική λύση) Μέθοδοι ακέραιου γραµµικού προγραµµατισµού Γενίκευση κόστους ανάλογα µε την εφαρµογή

6 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Πρόβληµα ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των κόµβων V V ώστε u, v V : [u, v] / E.

7 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Πρόβληµα ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των κόµβων V V ώστε u, v V : [u, v] / E. Βέλτιστη Λύση Μια ϐέλτιστη λύση V είναι µέγιστη ως προς το πληθάριθµο : V = arg max V 2 V V

8 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού:

9 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά

10 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά Περιορισµοί : x i + x j 1 για κάθε [v i, v j ] E

11 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά Περιορισµοί : x i + x j 1 για κάθε [v i, v j ] E Αντικειµενική Συνάρτηση : Μεγιστοποίησε τη ποσότητα n i=1 x i

12 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Παραδείγµατα) Γράφος G(V, E), V = {V 1, V 2, V 3, V 4, V 5, V 6 } V 2 V 6 V 1 V 3 V 5 V 4

13 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Παραδείγµατα) max z = x 1 +x 2 +x 3 +x 4 +x 5 +x 6 s.t. x 1 +x 2 1 x 1 +x 3 1 x 1 +x 4 1 x 1 +x 5 1 x 1 +x 6 1 x i {0, 1}

14 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Παραδείγµατα) Γράφος G(V, E), V = {V 1, V 2, V 3 } V 1 V 2 V 3

15 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Παραδείγµατα) max z = x 1 +x 2 +x 3 s.t. x 1 +x 2 1 x 1 +x 3 1 x 2 +x 3 1 x i {0, 1}

16 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση µε Πίνακες) Πίνακας πρόσπτωσης Εστω γράφος G(V, E) µε V = n και E = m Ορίζουµε { τον m n πίνακα πρόσπτωσης A ως εξής : 1 αν j ei a ij = 0 διαφορετικά

17 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση µε Πίνακες) Πίνακας πρόσπτωσης Εστω γράφος G(V, E) µε V = n και E = m Ορίζουµε { τον m n πίνακα πρόσπτωσης A ως εξής : 1 αν j ei a ij = 0 διαφορετικά Για το παράδειγµα 2 : v 1 v 2 v 3 e Α= e e

18 Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο (Μοντελοποίηση µε Πίνακες) Θέτουµε x = x 1.. x n max z =1 t x s.t. A x 1 x i {0, 1}, 1 = 1. 1 Το γραµµικό πρόβληµα γίνεται :

19 Βεβαρηµένο Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Στο πρόβληµα του Βεβαρηµένου Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου (Weighted Maximum Independent Set) έχουµε ένα ϐάρος c i για κάθε κόµβο v i.

20 Βεβαρηµένο Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Στο πρόβληµα του Βεβαρηµένου Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου (Weighted Maximum Independent Set) έχουµε ένα ϐάρος c i για κάθε κόµβο v i. n Η αντικειµενική συνάρτηση αλλάζει σε max z = c i x i i=1

21 Βεβαρηµένο Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Στο πρόβληµα του Βεβαρηµένου Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου (Weighted Maximum Independent Set) έχουµε ένα ϐάρος c i για κάθε κόµβο v i. n Η αντικειµενική συνάρτηση αλλάζει σε max z = c i x i (Το πρόβληµα Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου είναι µια ειδική περίπτωση όπου i : c i = 1) i=1

22 Βεβαρηµένο Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Στο πρόβληµα του Βεβαρηµένου Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου (Weighted Maximum Independent Set) έχουµε ένα ϐάρος c i για κάθε κόµβο v i. n Η αντικειµενική συνάρτηση αλλάζει σε max z = c i x i (Το πρόβληµα Μεγίστου Ανεξάρτητου Συνόλου είναι µια ειδική περίπτωση όπου i : c i = 1) Η µοντελοποίηση µε πίνακες : max z =c t x s.t. Ax 1 x i {0, 1} όπου c t = [ c 1... c n ] i=1

23 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη Εφαρµογές : Επίβλεψη χώρων Εγκατάσταση εξυπηρετητών Λήψη ϕωτογραφιών από δορυφόρους

24 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη Εφαρµογές : Επίλυση : Επίβλεψη χώρων Εγκατάσταση εξυπηρετητών Λήψη ϕωτογραφιών από δορυφόρους Θεωρία Γράφων Γραµµικό Ακέραιο Πρόγραµµα Χαλάρωση (προσεγγιστική λύση) Μέθοδοι ακέραιου γραµµικού προγραµµατισµού

25 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη Εφαρµογές : Επίλυση : Επίβλεψη χώρων Εγκατάσταση εξυπηρετητών Λήψη ϕωτογραφιών από δορυφόρους Θεωρία Γράφων Γραµµικό Ακέραιο Πρόγραµµα Χαλάρωση (προσεγγιστική λύση) Μέθοδοι ακέραιου γραµµικού προγραµµατισµού Γενίκευση κόστους ανάλογα µε την εφαρµογή

26 Ελάχιστη Κοµβική επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Πρόβληµα ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των κόµβων V V ώστε [u, v] E : u V v V.

27 Ελάχιστη Κοµβική επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Πρόβληµα ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των κόµβων V V ώστε [u, v] E : u V v V. Βέλτιστη Λύση Μια ϐέλτιστη λύση V είναι ελάχιστη ως προς το πληθάριθµο : V = arg min V 2 V V.

28 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού:

29 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά

30 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά Περιορισµοί: x i + x j 1 για κάθε [v i, v j ] E

31 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Μοντελοποίηση) Μοντελοποίηση µέσω Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού: Μεταβλητές { : 1 αν vi V x i = 0 διαφορετικά Περιορισµοί: x i + x j 1 για κάθε [v i, v j ] E Αντικειµενική Συνάρτηση : Ελαχιστοποίησε τη ποσότητα n i=1 x i

32 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Παραδείγµατα) Γράφος G(V, E), V = {V 1, V 2, V 3, V 4 } V 3 V 1 V 4 V 2

33 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Παραδείγµατα) min w = x 1 +x 2 +x 3 +x 4 s.t. x 1 +x 3 1 x 1 +x 2 1 x 2 +x 3 1 x i {0, 1} x 3 +x 4 1

34 Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη (Μοντελοποίηση µε Πίνακες) Το γραµµικό πρόβληµα µε χρήση πινάκων γίνεται : min w =1 t x s.t. Ax 1 x i {0, 1}

35 Βεβαρηµένη Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη Στο πρόβληµα της Βεβαρηµένης Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης (Weighted Vertex Cover) έχουµε πάλι ϐάρη στους κόµβους και στοχεύουµε στην ελαχιστοποίηση της ποσότητας n min w = c i x i i=1

36 Βεβαρηµένη Ελάχιστη Κοµβική Επικάλυψη Στο πρόβληµα της Βεβαρηµένης Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης (Weighted Vertex Cover) έχουµε πάλι ϐάρη στους κόµβους και στοχεύουµε στην ελαχιστοποίηση της ποσότητας n min w = c i x i i=1 Η µοντελοποίηση µε πίνακες : min w =c t x s.t. Ax 1 x i {0, 1} όπου c t = [ c 1... c n ]

37 Σχέση Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης -Μέγιστου Ανεξαρτήτου Υποσυνόλου Πρόταση 1 Εστω µια εφικτή λύση x του Μέγιστου Ανεξάρτητου Υποσυνόλου : Η λύση 1 x είναι µια εφικτή λύση της Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης.

38 Σχέση Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης -Μέγιστου Ανεξαρτήτου Υποσυνόλου Πρόταση 1 Εστω µια εφικτή λύση x του Μέγιστου Ανεξάρτητου Υποσυνόλου : Η λύση 1 x είναι µια εφικτή λύση της Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης. Απόδειξη Ax 1 Ax A1 1 A1 A(x 1) 1 A(1 x ) 1 (A1 = 2)

39 Σχέση Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψησ-Μέγιστου Ανεξαρτήτου Υποσυνόλου Πρόταση 2 Εστω µια ϐέλτιστη λύση x του Μέγιστου Ανεξάρτητου Υποσυνόλου: Η λύση 1 x είναι µια ϐέλτιστη λύση της Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης.

40 Σχέση Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψησ-Μέγιστου Ανεξαρτήτου Υποσυνόλου Πρόταση 2 Εστω µια ϐέλτιστη λύση x του Μέγιστου Ανεξάρτητου Υποσυνόλου: Η λύση 1 x είναι µια ϐέλτιστη λύση της Ελάχιστης Κοµβικής Επικάλυψης. Απόδειξη n i=1 n i=1 n i=1 x i (1 x i ) x i n i=1 n i=1 x i x i n (1 x i ) i=1

41 Αλλα Προβλήµατα Ελάχιστη Επικάλυψη ακµών ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των ακµών E E ώστε v V : e E : v e. Η Αντικειµενική Συνάρτηση σκοπεύει στην ελαχιστοποίηση του πληθάριθµο αριθµού E.

42 Αλλα Προβλήµατα Ελάχιστη Επικάλυψη ακµών ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι ένα υποσύνολο των ακµών E E ώστε v V : e E : v e. Η Αντικειµενική Συνάρτηση σκοπεύει στην ελαχιστοποίηση του πληθάριθµο αριθµού E.

43 Αλλα Προβλήµατα Ελάχιστος Χρωµατισµός Γράφων ίνεται γράφος G(V, E) Μία εφικτή λύση είναι µια ανάθεση χρωµάτων Color : V C έτσι ώστε [u, v] E :Color(v) Color(u). Η Αντικειµενική Συνάρτηση σκοπεύει στην ελαχιστοποίηση του αριθµού των διαφορετικών χρωµάτων που ανατίθενται στους κόµβους.

44 Ασκήσεις 1 Να µοντελοποιηθεί το πρόβληµα της Ελάχιστης Επικάλυψης Ακµών ως πρόβληµα Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού.

45 Ασκήσεις 1 Να µοντελοποιηθεί το πρόβληµα της Ελάχιστης Επικάλυψης Ακµών ως πρόβληµα Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού. 2 Να µοντελοποιηθεί το πρόβληµα του Ελάχιστου Χρωµατισµού Γράφων ως πρόβληµα Ακέραιου Γραµµικού Προγραµµατισµού.

Σχετικά έγγραφα

Ακέραιος Γραµµικός Προγραµµατισµός

Ακέραιος Γραµµικός Προγραµµατισµός Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Μέγιστο Ανεξάρτητο Σύνολο Εφαρµογές : Παράλληλη εκτέλεση εργασιών Χρονοπρογραµµατισµός (scheduling) Ανάθεση πόρων (resource allocation) Πρόβληµα k-ϐασιλισσών Τηλεπικοινωνίες Μέγιστο