Деление риска метод ветвей границ. Решение задачи коммивояжера с помощью метода ветвей и границ

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.

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.

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 .

5x 1 + 2x 2 ≤ 14
2x 1 + 5x 2 ≤ 16
x 1 , x 2 – целые числа
Z = 3x 1 + 5x 2 → max
Решение находим с помощью калькулятора .:
Построим область допустимых решений, т.е. решим графически систему неравенств. Для этого построим каждую прямую и определим полуплоскости, заданные неравенствами (полуплоскости обозначены штрихом).

Границы области допустимых решений
Пересечением полуплоскостей будет являться область, координаты точек которого удовлетворяют условию неравенствам системы ограничений задачи.
Обозначим границы области многоугольника решений.

Рассмотрим целевую функцию задачи F = 3x 1 +5x 2 → max.
Построим прямую, отвечающую значению функции F = 0: F = 3x 1 +5x 2 = 0. Будем двигать эту прямую параллельным образом. Поскольку нас интересует максимальное решение, поэтому двигаем прямую до последнего касания обозначенной области. На графике эта прямая обозначена пунктирной линией.

Прямая F(x) = const (1) и (2)
5x 1 +2x 2 ≤14
2x 1 +5x 2 ≤16

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1.8095, x 2 = 2.4762
F(X) = 3*1.8095 + 5*2.4762 = 17.8095
Оптимальное значение переменной x 1 =1.81 оказалось нецелочисленным.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х 1 ≥ 2, а к задаче 12 - условие х 1 ≤ 1.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х 1 .

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≥2	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Прямая F(x) = const пересекает область в точке B. Так как точка B получена в результате пересечения прямых (1) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
5x 1 +2x 2 ≤14
x 1 ≥2

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*2 + 5*2 = 16

Решение задачи получилось целочисленным.
Новое значение текущего рекорда будет равно F(X) = 16.
Так как найденная точка является первым целочисленным решением, то ее и соответствующее ей значение ЦФ следует запомнить. Сама точка называется текущим целочисленным рекордом или просто рекордом, а оптимальное значение целочисленной задачи - текущим значением рекорда . Это значение является нижней границей оптимального значения исходной задачи Z*.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const (2) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 ≤1

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1, x 2 = 2.8
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*1 + 5*2.8 = 17

Оптимальное значение переменной x 2 =2.8 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 12 на две подзадачи 121 и 122.
В первой из них к условиям задачи 121 добавляется условие х 2 ≥ 3, а к задаче 122 - условие х 2 ≤ 2.
Решим графически задачу 121 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≥3	(4)
x 1 ≥0	(5)
x 2 ≥0	(6)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (2) и (4) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 2 ≥3

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0.5 + 5*3 = 16.5

Решим графически задачу 122 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≤2	(4)
x 1 ≥0	(5)
x 2 ≥0	(6)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (3) и (4) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
x 1 ≤1
x 2 ≤2

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 1, x 2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*1 + 5*2 = 13

Текущий рекорд Z=16≥13, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины

Разбиваем задачу 121 на две подзадачи 1211 и 1212.
В первой из них к условиям задачи 1211 добавляется условие х 1 ≥ 1, а к задаче 1212 - условие х 1 = 0.
Решим графически задачу 1211 как задачу ЛП.

Задача не имеет допустимых решений. ОДР представляет собой пустое множество.

Задача 1211 не имеет решения, поэтому для нее процесс ветвления прерываем.
Решим графически задачу 1212 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 1 ≤1	(3)
x 2 ≥3	(4)
x 1 =0	(5)
x 1 ≥0	(6)
x 2 ≥0	(7)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (2) и (7) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 =0

Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0 + 5*3.2 = 16

Оптимальное значение переменной x 2 =2.48 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 1 на две подзадачи 11 и 12.
В первой из них к условиям задачи 11 добавляется условие х 2 ≥ 3, а к задаче 12 - условие х 2 ≤ 2.
Эта процедура называется ветвлением по переменной х 2 .
Решим графически задачу 11 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 2 ≥3	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой треугольник.
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (2) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 2 ≥3

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 0.5, x 2 = 3
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0.5 + 5*3 = 16.5

Решим графически задачу 12 как задачу ЛП.

5x 1 +2x 2 ≤14	(1)
2x 1 +5x 2 ≤16	(2)
x 2 ≤2	(3)
x 1 ≥0	(4)
x 2 ≥0	(5)

Область допустимых решений представляет собой многоугольник
Прямая F(x) = const пересекает область в точке C. Так как точка C получена в результате пересечения прямых (1) и (3) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
5x 1 +2x 2 ≤14
x 2 ≤2

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 2, x 2 = 2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*2 + 5*2 = 16

Текущий рекорд Z=16≥16, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
Оптимальное значение переменной x 1 =0.5 оказалось нецелочисленным.
Разбиваем задачу 11 на две подзадачи 111 и 112.
В первой из них к условиям задачи 111 добавляется условие х 1 ≥ 1, а к задаче 112 - условие х 1 = 0.
Решим графически задачу 111 как задачу ЛП. Прямая F(x) = const пересекает область в точке D. Так как точка D получена в результате пересечения прямых (2) и (6) , то ее координаты удовлетворяют уравнениям этих прямых:
2x 1 +5x 2 ≤16
x 1 =0

Решив систему уравнений, получим: x 1 = 0, x 2 = 3.2
Откуда найдем максимальное значение целевой функции:
F(X) = 3*0 + 5*3.2 = 16

Текущий рекорд Z=16≥16, поэтому прекращаем ветвление из этой вершины
F(X) = 16
x 1 = 2
x 2 = 2

Дерево решения задачи