Метод ветвей и границ. Пример решения. Пример решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ
Определения
называется непустое конечное множество, состоящее из двух подмножеств и . Первое подмножество
(вершины) состоит из любого множества элементов. Второе подмножество (дуги) состоит из упорядоченных пар элементов первого подмножества 
. Если вершины и такие, что , то это вершины смежные.
Маршрутом в графе
называется последовательность вершин не обязательно попарно различных, где для любого
смежно с . Маршрут называется цепью, если все его ребра попарно различны. Если то маршрут называется замкнутым. Замкнутая цепь называется циклом.
Постановка задачи
Коммивояжер должен объездить n городов. Для того чтобы сократить расходы, он хочет построить такой маршрут, чтобы объездить все города точно по одному разу и вернуться в исходный с минимумом затрат.
В терминах теории графов задачу можно сформулировать следующим образом. Задано n вершин и матрица {c ij }, где c ij ≥0 – длинна (или цена) дуги (i , j ),
. Под маршрутом коммивояжера z будем понимать цикл i 1 , i 2 ,…, i n , i 1 точек 1,2,…, n. Таким образом, маршрут является набором дуг. Если между городами i и j нет перехода, то в матрице ставится символ «бесконечность». Он обязательно ставится по диагонали, что означает запрет на возвращение в точку, через которую уже проходил маршрут коммивояжера , длина маршрута l (z ) равна сумме длин дуг, входящих в маршрут. Пусть Z – множество всех возможных маршрутов. Начальная вершина i 1 – фиксирована. Требуется найти маршрут z 0 ÎZ , такой, что l (z 0)= minl (z ), z ÎZ .Решение задачи
Основная идея метода ветвей и границ состоит в том, что вначале строят нижнюю границу φ длин множества маршрутов Z. Затем множество маршрутов разбивается на два подмножества таким образом, чтобы первое подмножество
состояло из маршрутов, содержащих некоторую дугу (i, j), а другое подмножество не содержало этой дуги. Для каждого из подмножеств определяются нижние границы по тому же правилу, что и для первоначального множества маршрутов. Полученные нижние границы подмножеств и оказываются не меньше нижней границы множества всех маршрутов, т.е. φ(Z)≤ φ (), φ(Z) ≤ φ ().Сравнивая нижние границы φ (
) и φ (), можно выделить то, подмножество маршрутов, которое с большей вероятностью содержит маршрут минимальной длины.Затем одно из подмножеств
или по аналогичному правилу разбивается на два новых и . Для них снова отыскиваются нижние границы φ (), и φ () и т.д. Процесс ветвления продолжается до тех пор, пока не отыщется единственный маршрут. Его называют первым рекордом. Затем просматривают оборванные ветви. Если их нижние границы больше длины первого рекорда, то задача решена. Если же есть такие, для которых нижние границы меньше, чем длина первого рекорда, то подмножество с наименьшей нижней границей подвергается дальнейшему ветвлению, пока не убеждаются, что оно не содержит лучшего маршрута .Если же такой найдется, то анализ оборванных ветвей продолжается относительно нового значения длины маршрута. Его называют вторым рекордом. Процесс решения заканчивается, когда будут проанализированы все подмножества.
Для практической реализации метода ветвей и границ применительно к задаче коммивояжера укажем прием определения нижних границ подмножеств и разбиения множества маршрутов на подмножества (ветвление).
Для того чтобы найти нижнюю границу воспользуемся следующим соображением: если к элементам любого ряда матрицы задачи коммивояжера (строке или столбцу) прибавить или вычесть из них некоторое число, то от этого оптимальность плана не изменится. Длина же любого маршрутом коммивояжера изменится на данную величину.
Вычтем из каждой строки число, равное минимальному элементу этой строки. Вычтем из каждого столбца число, равное минимальному элементу этого столбца. Полученная матрица называется приведенной по строкам и столбцам. Сумма всех вычтенных чисел называется константой приведения.
Константу приведения следует выбирать в качестве нижней границы длины маршрутов.
Разбиение множества маршрутов на подмножества
Для выделения претендентов на включение во множество дуг, по которым производится ветвление, рассмотрим в приведенной матрице все элементы, равные нулю. Найдем степени Θ ij нулевых элементов этой матрицы. Степень нулевого элемента Θ ij равна сумме минимального элемента в строке i и минимального элемента в столбце j (при выборе этих минимумов c ij – не учитывается). С наибольшей вероятностью искомому маршруту принадлежат дуги с максимальной степенью нуля.
Для получения платежной матрицы маршрутов, включающей дугу (i , j ) вычеркиваем в матрице строку i и столбец j , а чтобы не допустить образования цикла в маршруте, заменяем элемент, замыкающий текущую цепочку на бесконечность.
Множество маршрутов, не включающих дугу (i , j ) получаем путем замены элемента c ij на бесконечность.
Пример решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ
Коммивояжер должен объездить 6городов. Для того чтобы сократить расходы, он хочет построить такой маршрут, чтобы объездить все города точно по одному разу и вернуться в исходный с минимумом затрат. Исходный город A. Затраты на перемещение между городами заданы следующей матрицей:
| A | B | C | D | E | F | |
| A | ∞ | 26 | 42 | 15 | 29 | 25 |
| B | 7 | ∞ | 16 | 1 | 30 | 25 |
| C | 20 | 13 | ∞ | 35 | 5 | 0 |
| D | 21 | 16 | 25 | ∞ | 18 | 18 |
| E | 12 | 46 | 27 | 48 | ∞ | 5 |
| F | 23 | 5 | 5 | 9 | 5 | ∞ |
Решение задачи
Для удобства изложения везде ниже в платежной матрице заменим имена городов (A, B, …, F) номерами соответствующих строк и столбцов (1, 2, …, 6).
Найдем нижнюю границу длин множества всех маршрутов. Вычтем из каждой строки число, равное минимальному элементу этой строки, далее вычтем из каждого столбца число, равное минимальному элементу этого столбца, и таким образом приведем матрицу по строкам и столбцам. Минимумы по строкам: r 1 =15, r 2 =1, r 3 =0, r 4 =16, r 5 =5, r 6 =5.
После их вычитания по строкам получим:
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 1 | ∞ | 11 | 27 | 0 | 14 | 10 |
| 2 | 6 | ∞ | 15 | 0 | 29 | 24 |
| 3 | 20 | 13 | ∞ | 35 | 5 | 0 |
| 4 | 5 | 0 | 9 | ∞ | 2 | 2 |
| 5 | 7 | 41 | 22 | 43 | ∞ | 0 |
| 6 | 18 | 0 | 0 | 4 | 0 | ∞ |
Минимумы по столбцам: h 1 =5, h 2 =h 3 =h 4 =h 5 =h 6 .
После их вычитания по столбцам получим приведенную матрицу:
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 1 | ∞ | 11 | 27 | 0 | 14 | 10 |
| 2 | 1 | ∞ | 15 | 0 | 29 | 24 |
| 3 | 15 | 13 | ∞ | 35 | 5 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 9 | ∞ | 2 | 2 |
| 5 | 2 | 41 | 22 | 43 | ∞ | 0 |
| 6 | 13 | 0 | 0 | 4 | 0 | ∞ |
Найдем нижнюю границу φ (Z ) = 15+1+0+16+5+5+5 = 47.
Для выделения претендентов на включение во множество дуг, по которым производится ветвление, найдем степени Θ ij
нулевых элементов этой матрицы (суммы минимумов по строке и столбцу). Θ 14
= 10 + 0,
Θ 24
= 1 + 0, Θ 36
= 5+0, Θ 41
= 0 + 1, Θ 42
= 0 + 0, Θ 56
= 2 + 0, Θ 62
= 0 + 0,
Θ 63
= 0 + 9, Θ 65
= 0 + 2. Наибольшая степень Θ 14
= 10. Ветвление проводим по дуге (1, 4).
Коммивояжер (бродячий торговец) желает посетить ряд городов и вернуться в исходный город, минимизируя суммарную длину (стоимость) переездов. Эта задача в математической форме формулируется как задача нахождения во взвешенном графе гамильтонова цикла минимальной длины и называется задачей коммивояжера.
В качестве её практического приложения можно указать следующее. Пусть имеется станок, способный выполнять несколько операций. Его перенастройка с одной операции на другую требует определенных затрат. Требуется использовать станок в циклическом режиме, минимизируя суммарные затраты на перенастройку.
В данной задаче перенастройка с одной операции на другую и обратная перенастройка могут требовать, вообще говоря, различных затрат. Поэтому и в общем случае в задаче коммивояжера рассматривается взвешенный ориентированный граф, дуги которого в прямом и обратном направлении могут иметь различные веса.
Для решения задачи коммивояжера можно попытаться использовать «жадный алгоритм», успешно примененный в задаче о минимальном остовном дереве. Упорядочим предварительно дуги по весам и будем включать дуги минимального веса, следя за тем, чтобы не возникли вершины, полустепень исхода или захода которых превышает единицу, и не появились негамильтоновы циклы. Однако, как легко убедиться, данный подход не гарантирует получение оптимального решения. В качестве простейшего контрпримера можно рассмотреть следующий граф.
Здесь каждому ребру соответствует две дуги такого же веса.
«Жадный
алгоритм» прежде всего включит в цикл
ребро
,
как имеющее минимальный вес. Включение
этого ребра, как непосредственно легко
проверить, необходимо ведет к гамильтонову
циклу
веса 29. Оптимальный
же
гамильтонов цикл
имеет вес 12. Поэтому «жадный алгоритм»
не гарантирует получения оптимального
решения, хотя он может быть использован
на практике в качестве полезной эвристики,
во многих случаях приводящей к решениям,
близким к оптимальным.
Для задачи коммивояжера не известно какого – либо эффективного алгоритма. Весьма вероятно, что такого алгоритма не существует, хотя это и не удалось до сих пор доказать. Подобные задачи не редки в дискретной математике. В случае небольшой размерности их точные решения удается получать на компьютере с помощью метода «ветвей и границ».
Под методом «ветвей и границ» понимается широкий класс методов сокращенного перебора, суть которых сводится к следующему. Множество допустимых решений А разбивается на два подмножества А 0 и А 1 , затем каждое из подмножеств также разбивается на два подмножества и т.д. Схематически это можно представить в виде дерева, начинающегося с множества всех решений и заканчивающегося его одноэлементными подмножествами, т.е. допустимыми решениями, которыми в нашем случае являются гамильтоновы циклы.
Среди допустимых решений выбирается оптимальное по функционалу качества, которым в нашем случае является длина гамильтонова цикла. Смысл метода «ветвей и границ» состоит, однако, в том, чтобы не просматривать все допустимые решения, а отсекать большинство ветвей на возможно более раннем этапе. Для этого с помощью эвристических соображений стараются сразу пойти по ветви, ведущей к решению, близкому по качеству к оптимальному. После этого большинство других ветвей отсекают с помощью границ для функционала качества, когда удается показать, что в подмножестве решений не содержится решения, лучшего по качеству, чем уже имеющееся.
Рассмотрим метод «ветвей и границ» на примере задачи коммивояжера. Пусть взвешенный орграф задан матрицей расстояний. Если некоторая дуга в графе отсутствует, то соответствующий элемент матрицы будем полагать равным ∞. Заметим, что если длины всех дуг, входящих в некоторую вершину, уменьшить на одно и то же число, то и длина оптимального гамильтонова цикла уменьшится на это же число. То же самое относится и к множеству выходящих дуг. Будем последовательно вычитать из строк и столбцов матрицы расстояний положительные числа так, чтобы элементы матрицы оставались неотрицательными. Так как длина оптимального гамильтонова цикла для графа с неотрицательной матрицей расстояний также неотрицательна, то сумма вычтенных количеств будет нижней границей для длины оптимального цикла исходного графа.
Рассмотрим пример. Пусть задан граф G с симметрической матрицей расстояний.
Значки « ∞ » на диагонали соответствуют отсутствию в графе петель – дуг, ведущих из вершины в эту же вершину. Получим, прежде всего, нижнюю границу для длины кратчайшего гамильтонового цикла. Из первой, второй, третьей и четвертой строк можно вычесть по единице, из пятой строки – два, а из пятого столбца можно вычесть ещё единицу. Это дает нижнюю границу 7, а матрица расстояний приобретает вид
Теперь выберем дугу для ветвления, т.е. разобьем множество гамильтоновых циклов на два подмножества: включающих и не включающих эту дугу. Мы рассчитываем, что данная дуга будет входить в оптимальный или близкий к оптимальному цикл. Для этого будем следовать следующему эвристическому правилу: из множества дуг нулевой длины выбирать ту, исключение которой ведет к максимальному росту нижней оценки. В нашем случае такой дугой является дуга (1,2). Запрещение этой дуги приводит к матрице
из первой строки и второго столбца которой можно вычесть по единице, что увеличивает нижнюю границу на 2 и делает её равной 9.
Включение же дуги (1,2) приводит к тому, что исключаются все остальные дуги, ведущие в вершину 2, и все остальные дуги, выходящие из вершины 1. Поэтому первую строку и второй столбец матрицы можно далее не рассматривать, и они вычеркиваются из матрицы. Кроме того, исключается дуга (2,1). Матрица принимает вид
Из её первой строки и первого столбца можно вычесть по единице, что приводит к матрице
Нижняя оценка здесь возрастает на 2 и также становится равной 9.
Нижняя оценка длины оптимального цикла остается неизменной.
Дуга (2,5) должна быть запрещена, как ведущая к появлению негамильтонова цикла, и матрица принимает вид
Нижняя оценка длины гамильтонова цикла остается, по – прежнему, равной 9.
Схематически представим проведенный анализ в виде дерева, где в кружочках стоят нижние оценки длины гамильтонова цикла.
Взглянув на это дерево, непосредственно убеждаемся, что полученный гамильтонов цикл является кратчайшим, т.к. движение по любой другой ветви дерева не может привести к более короткому циклу.
Существует ли эффективный алгоритм для решения задачи коммивояжера? а) да; б) нет; в) неизвестно.
Является ли описанный метод « ветвей и границ» эффективным алгоритмом для решения задачи коммивояжера? а) да; б) нет; в) неизвестно.
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 3
1. ..…………….4
2. МЕТОД ВЕТВЕЙ И ГРАНИЦ ………………………………………..6
2.1 Алгоритм метода ветвей и грани ц…………………………………....10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………… ………….15
ВВЕДЕНИЕ
Впервые метод ветвей и границ был предложен Лендом и Дойгом в 1960 для решения общей задачи целочисленного линейного программирования. Интерес к этому методу и фактически его “второе рождение” связано с работой Литтла, Мурти, Суини и Кэрела, посвященной задаче комивояжера. Начиная с этого момента, появилось большое число работ, посвященных методу ветвей и границ и различным его модификациям. Столь большой успех объясняется тем, что авторы первыми обратили внимание на широту возможностей метода, отметили важность использования специфики задачи и сами воспользовались спецификой задачи коммивояжера.
В основе метода ветвей и границ лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений на подмножества (стратегия “разделяй и властвуй”). На каждом шаге метода элементы разбиения подвергаются проверке для выяснения, содержит данное подмножество оптимальное решение или нет. Проверка осуществляется посредством вычисления оценки снизу для целевой функции на данном подмножестве. Если оценка снизу не меньше рекорда - наилучшего из найденных решений, то подмножество может быть отброшено. Проверяемое подмножество может быть отброшено еще и в том случае, когда в нем удается найти наилучшее решение. Если значение целевой функции на найденном решении меньше рекорда, то происходит смена рекорда. По окончанию работы алгоритма рекорд является результатом его работы.
Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд - оптимальное решение задачи. В противном случае, из не отброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с наименьшим значением нижней оценки), и оно подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т. д.
1. МЕТОД ВЕТВЕЙ И ГРАНИЦ ЦЕЛОЧИСЛЕННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Целочисленным (иногда его называют также дискретным) программированием называется раздел математического программирования, изучающий экстремальные задачи, в которых на искомые переменные накладывается условие целочисленности, а область допустимых решений конечна.
Огромное количество экономических задач носит дискретный, чаще всего целочисленный характер, что связано, как правило с физической неделимостью многих элементов расчета: например, нельзя построить два с половиной завода, купить полтора автомобиля и т. д. В ряде случаев такие задачи решаются обычными методами, например, симплексным методом, с последующим округлением до целых чисел.
Однако такой подход оправдан, когда отдельная единица составляет очень малую часть всего объема (например, товарных запасов); в противном случае он может внести значительные искажения в действительно оптимальное решение. Поэтому разработаны специальные методы решения целочисленных задач.
1. Количество целочисленных переменных уменьшать насколько возможно. Например, целочисленные переменные, значения которых должно быть не менее 20, можно рассматривать как непрерывные.
2. В отличие от общих задач ЛП, добавление новых ограничений особенно включающих целочисленные переменные, обычно уменьшают время решения задач ЦП.
3. Если нет острой необходимости в нахождении точного оптимального целочисленного решения, отличающегося от непрерывного решения, например, 3%. Тогда реализацию метода ветвей и границ для задачи максимизации можно заканчивать, если отношение разницы между верхней и нижней границ к верхней границы меньше 0,03.
Метод ветвей и границ можно применять для решения задач нелинейного программирования.
Метод ветвей и границ - один из комбинаторных методов. Его суть заключается в упорядоченном переборе вариантов и рассмотрении лишь тех из них, которые оказываются по определенным признакам перспективными, и отбрасывании бесперспективных вариантов.
Метод ветвей и границ состоит в следующем: множество допустимых решений (планов) некоторым способом разбивается на подмножества, каждое из которых этим же способом снова разбивается на подмножества. Процесс продолжается до тех пор, пока не получено оптимальное целочисленное решение исходной задачи.
2. МЕТОД ВЕТВЕЙ И ГРАНИЦ
Одним из широко распространенных методов решения целочисленных задач является метод ветвей и границ, который может быть использован как для задач линейного программирования, так и для задач, не сводимых к задачам линейного программирования. Рассмотрим идею метода ветвей и границ на примере общей задачи дискретного программирования
f(X) -> max,
Х€D,
где D - конечное множество.
Сначала найдем оценку £(D) (границу) функции f(X), X е D: f(X) ≤ £(D) для V X е D. Если для некоторого плана Х° задачи справедливо равенствоf(X0) = £(D), то Х° = X* является решением задачи. Если указанное условие не выполняется, то возможно разбиение (ветвление) множества D на конечное число непересекающихся подмножеств D1i: ỤD1i. = D, ∩D1i = Ө, и вычисление оценки £(D1i) (границ), 1≤i≤m (Рисунок 2.1)
Рисунок 2. 1
Если для некоторого плана X1i е Di1, 1 ≤ / ≤ m выполняется условие f(Xkl)= £(D1k)≥ £(D1i), 1≤i≤m то Xk1=X* является оптимальным планом (решением) задачи (7.9)-(7.10).
Если такого плана нет, то выбирается подмножество Dkl с наибольшей оценкой £(D1i) и разбивается на конечное число непересекающихся подмножеств D2kj: UD2kj=D1k, ∩D2kj=Ө. Для каждого подмножества находится оценка £(D2kj), 1≤j≤n (Рисунок 2.2)
Рисунок 2.2
Если при этом найдется план X2j е D2kJ, 1 ≤j ≤n, такой, что f(X2r)= £(D2kr)≥ £(D2kj), 1≤j≤n, то X2r= X* является решением задачи. Если такого плана нет, то процедуру ветвления осуществляют для множества D2kj с наибольшей оценкой £(D2kj) , 1≤j≤n. Способ ветвления определяется спецификой конкретной задачи.
Рассмотрим задачу, которую можно свести к задаче целочисленного линейного программирования.
Пример.
Контейнер объемом 5 м3 помещен на контейнеровоз грузоподъемностью 12 т. Контейнер требуется заполнить грузом двух наименований. Масса единицы груза mj (в тоннах), объем единицы груза Vj (в м3), стоимости Cj (в условных денежных единицах) приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Вид груза у | С j |
||
Требуется загрузить контейнер таким образом, чтобы стоимость перевозимого груза была максимальной.
Решение. Математическая модель задачи имеет вид
Z(X) = 10x1+12x2→max,
3x1+x2≤12,
x1+2x2≤5
x1≥0
x2≥0
x1, x2- целые числа
где x1, x2 - число единиц соответственно первого и второго груза.
Множество планов этой задачи обозначим через D - это множество целых точек многогранника ОАВС (Рисунок 2.3).
Рисунок 2. 3
Сначала решаем задачу без условия целочисленности, получим оценку множества D - значение функции Z(X) на оптимальном плане Х° = (19/5, 3/5).
Точка X не является оптимальным планом задачи. Поэтому в соответствии с методом ветвей и границ требуется разбить множество D на непересекающиеся подмножества. Выберем первую нецелочисленную переменную x1=19/5=34/5 и разобьем множество D на два непересекающихся подмножества D11 и D22. Линии x1=3 (L3) и x4= (L3) являются линиями разбиения.
Рисунок 2. 4 |
L \ |
Найдем оценки £(D11) и £(D12), для чего решим задачи линейного программирования.
Z(X)=10x1+12x2→max,
3x1+x2≤12
x1+2x2≤5
x1≤3
x1≥0, x2 – целые числа
Z(X)=10x1+12x2→max,
3x1+ x2≤12
x1+2x2≤5
x1≥4
x1≥0, x2 – целые числа
Например, графическим методом:
X11eD11→X01= (3,1); £(D11)=42; X12eD12→X02= (4,0); £(D12)=40.
Результат ветвления приведен на Рисунок 2.5
Рисунок 2. 5 |
План X01 удовлетворяет условиям задачи, и для него выполняется условие: Z(X11)= £(D11)=42 > £(/)/) = 42 >£(D12) = 40. Следовательно, план X°1= (3, 1) является решением задачи (7.11)-(7.13), т. е. надо взять три единицы первого груза и одну единицу второго груза.
2.1 Алгоритм метода ветвей и границ
· Находим решение задачи линейного программирования без учета целочисленности.
· Составляет дополнительные ограничения на дробную компоненту плана.
· Находим решение двух задач с ограничениями на компоненту.
· Строим в случае необходимости дополнительные ограничения, согласно возможным четырем случаям получаем оптимальный целочисленный план либо устанавливаем неразрешимость задачи.
Алгоритм действия метода ветвей и границ
Первоначально находим, к примеру, симплекс-методом оптимальный план задачи без учета целочисленности переменных. Пусть им является план X0. Если среди компонент этого плана нет дробных чисел, то тем самым найдено искомое решение данной задачи и Fmax = F(X0).
Если же среди компонент плана X0 имеются дробные числа, то X0 не удовлетворяет условию целочисленности и необходимо осуществить упорядоченный переход к новым планам, пока не будет найдено решение задачи. Покажем, как это можно сделать, предварительно отметив, что F(X0) ³ F(X) для всякого последующего плана X в связи с увеличением количества ограничений.
Предполагая, что найденный оптимальный план X0 не удовлетворяет условию целочисленности переменных, тем самым считаем, что среди его компонент есть дробные числа. Пусть, например, переменная приняла в плане X0 дробное значение. Тогда в оптимальном целочисленном плане ее значение будет по крайней мере либо меньше или равно ближайшему меньшему целому числу, либо больше или равно ближайшему большему целому числу font-size:14.0pt">font-size:14.0pt">Найдем решение задач линейного программирования (5) и (6). Очевидно, здесь возможен один из следующих четырех случаев:
1. Одна из задач неразрешима, а другая имеет целочисленный оптимальный план. Тогда этот план и значение целевой функции на нем и дают решение исходной задачи.
2. Одна из задач неразрешима, а другая имеет оптимальный план, среди компонент которого есть дробные числа. Тогда рассматриваем вторую задачу и в ее оптимальном плане выбираем одну из компонент, значение которой равно дробному числу, и строим две задачи, аналогичные задачам (5) и (6).
3. Обе задачи разрешимы. Одна из задач имеет оптимальный целочисленный план, а в оптимальном плане другой задачи есть дробные числа. Тогда вычисляем значения целевой функции на этих планах и сравниваем их между собой.
3.1. Если на целочисленном оптимальном плане значение целевой функции больше или равно ее значению на плане, среди компонент которого есть дробные числа, то данный целочисленный план является оптимальным для исходной задачи и он вместе со значением целевой функции на нем дает искомое решение.
3.2. Если же значение целевой функции больше на плане, среди компонент которого есть дробные числа, то следует взять одно из таких чисел и для задачи, план которой рассматривается, необходимо построить две задачи, аналогичные (5) и (6).
4. Обе задачи разрешимы, и среди оптимальных планов обеих задач есть дробные числа. Тогда вычисляем значение целевой функции на данных оптимальных планах и рассматриваем ту из задач, для которой значение целевой функции является наибольшим. В оптимальном плане этой задачи выбираем одну из компонент, значение которой является дробным числом, и строим две задачи, аналогичные (5) и (6).
Общий алгоритм решения задач с помощью метода границ и ветвей, его суть
Таким образом, описанный выше итерационный процесс может быть представлен в виде некоторого дерева, на котором исходная вершина отвечает оптимальному плану Х0, а каждая соединенная с ней ветвью вершина отвечает оптимальным планам задач (5) и (6). Каждая из этих вершин имеет свои ветвления. При этом на каждом шаге выбирается та вершина, для которой значение функции является наибольшим. Если на некотором шаге будет получен план, имеющий целочисленные компоненты, и значение функции на нем окажется больше или равно, чем значение функции в других возможных для ветвления вершинах, то данный план является оптимальным планом исходной задачи целочисленного программирования и значение целевой функции на нем является максимальным.
Итак, процесс нахождения решения задачи целочисленного программирования методом ветвей и границ включает следующие основные этапы:
1. Находят решение задачи линейного программирования.
2. Составляют дополнительные ограничения для одной из переменных, значение которой в оптимальном плане является дробным числом.
3. Находят решение задач (5) и (6), которые получаются из задачи (1)-(3) в результате присоединения дополнительных ограничений.
4. В случае необходимости составляют дополнительные ограничения для переменной, значение которой является дробным, формулируют задачи, аналогичные задачам (5) и (6), и находят их решение.
Итерационный процесс продолжают до тех пор, пока не будет найдена вершина, соответствующая целочисленному плану задачи (1)-(4) и такая, что значение функции в этой вершине больше или равно значению функции в других возможных для ветвления вершинах.
Описанный выше метод ветвей и границ имеет более простую логическую схему расчетов, чем метод Гомори. Поэтому в большинстве случаев для нахождения решения конкретных задач целочисленного программирования с использованием ЭВМ применяется именно этот метод.
Пример использования метода ветвей и границ
В качестве примера к методу ветвей и границ рассмотрим функцию z=4х1+х2+1®max при ограничениях:
font-size:14.0pt">Пусть Х0 = (0; 0), z0 = 1 - «оптимальное» решение. Выполним 1-й этап общего алгоритма и найдем с помощью симплекс-метода, а затем и двойственного симплекс-метода (см. Приложение 1) X1, исходя из ограничений Итак, X1 = (3; 0,5; 0; 1; 0; 2,5), z1= 13,5. Так как z1 дробное, то «оптимальным» так и остается план Х0,
Согласно 2-му пункту нашего плана, составим 2 новых системы ограничений для:
https://pandia.ru/text/79/453/images/image012_25.gif" alt="Описание: http://*****/images/paper/93/79/4327993.png" width="108" height="98"> .
Выполним 3-й пункт алгоритма. Для начала, решим задачу с помощью табличного процессора Microsoft Excel (Приложение 2) и получим X2 = (2; 1) z2= 10. Так как z2 ≥ z0, «оптимальным» становится план Х0.
Решим задачу. Из последнего уравнения очевидно, что x2 = 0. Отсюда следует, что x1 = 3 (максимально возможное). Тогда Х3 = (3; 0), z3 = 13, а следовательно, данный план является оптимальным (теперь уже без кавычек).
Нам не пришлось выполнять 4-й пункт нашего алгоритма в связи с тем, что оптимальное решение найдено, переменные целочисленные. Пример, в котором всё складывается не так просто, приведен в Приложении 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе была рассмотрена сущность целочисленного программирования. Затронуты специальные методы решения целочисленных задач. Такие задачи возникают при моделировании разнообразных производственно-экономических, технических, военных и других ситуаций. В то же время ряд проблем самой математики может быть сформулирован как целочисленные экстремальные задачи.
Задачи такого типа весьма актуальны, так как к их решению сводится анализ разнообразных ситуаций, возникающих в экономике, технике, военном деле и других областях. Эти задачи интересны и с математической точки зрения. С появлением ЭВМ, ростом их производительности повысился интерес к задачам такого типа и к математике в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. Схрейвер. Теория линейного и целочисленного программирования: в 2-х томах.; перевод с английского. 1991г. 360с.
2. Т. Ху. Целочисленное программирование и потоки в сетях.; перевод с английского. 1974г.
3. , . Высшая математика: Математическое программирование. Ученик - 2-е издание. 2001г. 351с.
4. . Математическое программирование: Учебное пособие – 5-е издание, стереотип-М:ФИЗМАТ, 2001г.-264с.
5. , .: Экономико-математические методы и прикладные модели: Учеб. пособие для вузов/ЮНИТИ, 1999г.-391с.
6. , ; под ред. Проф. . : Исследование операций в экономике; учеб. Пособие для вузов.
Приложение 2
Решение задачи z = 4х1 + х2 +1 ® max при ограничениях:
с помощью табличного процессора Microsoft Excel.
Впервые метод ветвей и границ был предложен в 1960 г. в работе Лэнд и Дойг применительно к задаче целочисленного линейного программирования. Однако эта работа не оказала заметного непосредственного влияния на развитие дискретного программирования. Фактически «второе рождение» метода ветвей и границ связано с работой Литтла, Мурти, Суини и Кэрел , посвященной задаче коммивояжера; в этой же работе было впервые предложено и общепринятое теперь название метода «метод ветвей и границ». Начиная с этого момента появляется весьма большое число работ, посвященных методу ветвей и границ и различным его модификациям. Столь большой успех (да еще применительно к «классически трудной» задаче о коммивояжере) объясняется тем, что Литтл, Мурти, Суини и Кэрел первыми обратили внимание на широту возможностей метода ветвей и границ, отметили важность использования специфики задачи и сами весьма удачно этой спецификой воспользовались.
В § 1 настоящей главы излагается общая идея метода ветвей и границ; в § 2 - алгоритм Лэнд и Дойг для задачи целочисленного линейного программирования, в § 3 - метод Литтла и др. авторов для задачи коммивояжера.
§ 1. Идея метода ветвей и границ
1.1. Рассмотрим задачу дискретного программирования в следующей общей форме.
Минимизировать
при условии
Здесь G - некоторое конечное множество.
1.2. В основе метода ветвей и границ лежат следующие построения, позволяющие в ряде случаев существенно уменьшить объем перебора.
I. Вычисление нижней границы (оценки).
Часто удается найти нижнюю границу (оценку) целевой функции на множестве планов (или на некотором его подмножестве т. е. такое число что для имеет место
(соответственно для имеет место Разбиение на подмножества (ветвление). Реализация метода связана с постепенным разбиением множества планов на дерево подмножеств (ветвлением). Ветвление происходит по следующей многошаговой схеме.
0-й шаг. Имеется множество Некоторым способом оно разбивается на конечное число (обычно не пересекающихся) подмножестве шаг Имеются множества , еще не подвергавгпиеся ветвлению. По некоторому правилу (указанному ниже) среди них выбирается множество и разбивается на конечное число подмножеств:
Еще не подвергавшиеся разбиению множества
заново обозначаются через
Несколько шагов такого процесса последовательного разбиения схематически изображены на рис. 10.1.1.
III. Пересчет оценок. Если множество то, очевидно,
Поэтому, разбивая в процессе решения некоторое множество на подмножества
В конкретных ситуациях часто оказывается возможным добиться улучшения оценки, т. е. получить хотя бы для некоторых строгое неравенство
IV. Вычисление планов. Для конкретных задач могут быть указаны различные способы нахождения планов в последовательно разветвляемых подмножествах. Любой такой способ существенно опирается на специфику задачи.
V. Признак оптимальности. Пусть
и план X принадлежит некоторому подмножеству Если при этом
то X - оптимальный план задачи (1.1) - (1.2).
Доказательство непосредственно следует из определения оценки.
Обычно этот признак применяется на некотором этапе ветвления (т. е., говоря формально, при ; см. п. II).
VI. Оценка точности приближенного решения. Пусть
Если X - некоторый план исходной задачи (т. е. ), то
Доказательство и здесь сразу следует из определения оценки.
Очевидно, что если разность невелика (т. е. не превышает некоторого выбранного для данной задачи числа), то X можно принять за приближенное решение, за оценку точности приближения.
1.3. Изложим формальную схему метода ветвей и границ.
0-й шаг. Вычисляем оценку . Если при этом удается найти такой план X, что
то X - оптимальный план.
Если оптимальный план не найден, то по некоторому способу разбиваем множество на конечное число подмножеств
и переходим к шагу.
1-й шаг. Вычисляем оценки Если при этом удается найти такой план X, что для некоторого и
то X - оптимальный план.
Если же оптимальный план не найден, то выбираем «наиболее перспективное» для дальнейшего разбиения множество по следующему правилу:
Разбиваем множество на несколько (обычно не пересекающихся) подмножеств.
В основе метода ветвей и границ лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений на подмножества. На каждом шаге метода для элементов разбиения выполняется проверка для выяснения, содержит данное подмножество оптимальное решение или нет. Для этого вычисляется нижняя оценка целевой функции на данном подмножестве.
Если оценка снизу не меньше рекорда (наилучшего из найденных решений), то подмножество может больше не рассматриваться. Проверяемое подмножество может быть отброшено еще и в том случае, когда в нем удается найти наилучшее решение. Если значение целевой функции на найденном решении меньше рекорда, то происходит смена рекорда. По окончанию работы алгоритма рекорд является результатом его работы. Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд - оптимальное решение задачи. В противном случае, из неотброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с наименьшим значением нижней оценки), и подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т.д. Вычисление нижней границы является важнейшим элементом данной схемы.
Для каждой конкретной задачи целочисленного программирования (другими словами, дискретной оптимизации) метод ветвей и границ реализуется по-своему. Есть много модификаций этого метода.
Рассмотрим реализацию метода ветвей и границ для задачи коммивояжёра и задачи о рюкзаке.
Рассмотрим алгоритм Литтла (методом ветвей и границ) для задачи коммивояжера. Идею можно сформулировать следующим образом. В каждой строке матрицы расстояний находится минимальный элемент и вычитается из всех элементов соответствующей строки. Получается матрица, приведенная по строкам. Аналогично приводится матрица по столбцам. Получается матрица, приведенная по строкам и столбцам. Суммируя при приведении минимальные элементы, получим константу приведения, которая будет нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров. После находятся степени нулей для приведенной матрицы (сумма минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю) и выбирается дуга , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения. Множество всех гамильтоновых контуров разбивается на два подмножества, одно из которых содержит дугу , второе эту дугу не содержит. После этого приводятся полученные матрицы гамильтоновых контуров и сравниваются нижние границы подмножества гамильтоновых контуров с целью выбора для дальнейшего разбиения множества с меньшей нижней границей. Процесс разбиения множеств на подмножества сопровождается построением дерева ветвлений. Сравнивая длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей, выбирается для дальнейшего ветвления подмножество с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получен маршрут с наименьшей длиной или не становится ясно, что такого маршрута не существует.
Пример.
Пусть в задаче коммивояжера задана следующая матрица стоимостей переездов
Находим в каждой строке матрицы минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов соответствующей строки. Получим матрицу, приведенную по строкам, с элементами
.
Если в матрице , приведенной по строкам, окажутся столбцы, не содержащие нуля, то приводим ее по столбцам. Для этого в каждом столбце матрицы выбираем минимальный элемент , и вычитаем его из всех элементов соответствующего столбца. Получим матрицу
,
каждая строка и столбец, которой содержит хотя бы один нуль. Такая матрица называется приведенной по строкам и столбцам.
Суммируя элементы и , получим константу приведения:
.
Находим степени нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого мысленно нули в матице заменяем на знак и находим сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю. Записываем ее в правом верхнем углу клетки:
.
Выбираем дугу , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения
Разбиваем множество всех допустимых маршрутов на два подмножества:
– подмножество, содержащее дугу ;
– подмножество, не содержащее дугу
Для вычисления оценки затрат для маршрутов, включающих дугу , вычеркиваем в матрице строку и столбец и заменяем симметричный элемент на знак . Приводим полученную матрицу и вычисляем сумму констант приведения .