Динамическое программирование для начинающих. Понятие динамического программирования

Среди задач, решаемых с помощью математического программирования, можно выделить отдельный класс задач, требующих оптимизации многошаговых (многоэтапных) процессов. Такие задачи отличаются возможностью разбиения решения на несколько взаимосвязанных этапов. Для решения подобных задач используется динамическое программирование или, как его еще называют, многоэтапное программирование. Его методы оптимизированы для поиска оптимального решения многошаговых задач, которые можно разделить на несколько этапов, шагов и т. д.

Происхождение термина

Использование в названии слова «динамический» первоначально предполагало, что разделение на подзадачи будет происходить в основном во времени. При использовании динамических методов для решения производственных, хозяйственных и иных задач, в которых фигурирует временной фактор, разбивание на отдельные этапы не составляет труда. Но использовать технику динамического программирования возможно и в задачах, где отдельные этапы не связаны по времени. Всегда в многошаговой задаче можно выделить параметр или свойство, по которому можно произвести разделение на отдельные шаги.

Алгоритм (метод) решения многоэтапных задач

Алгоритм илиметод динамического программирования основан на использовании принципа последовательного оптимизирования задачи, когда решение общей задачи разбивается на ряд решений отдельных подзадач с последующим объединением в единое решение. Очень часто отдельные подзадачи оказываются одинаковыми, и одно общее решение значительно сокращает время расчета.

Особенностью метода является автономность решения задачи на каждом отдельном этапе, т. е. независимо от того, как оптимизировался и решался процесс на предыдущем этапе, в текущем расчете используются только параметры процесса, характеризующие его в данный момент. Например, водитель, двигающийся по дороге, принимает решение о текущем повороте независимо от того, как и сколько он ехал до этого.

Метод сверху и метод снизу

Несмотря то что при расчете на отдельном этапе решения задачи используются параметры процесса на текущий момент, результат оптимизации на предыдущем этапе влияет на расчеты последующих этапов для достижения наилучшего результата в целом. Динамическое программирование называет такой принцип решения методом оптимальности, который определяет, что оптимальная стратегия решения задачи вне зависимости от начальных решений и условий должна последующими решениями на всех этапах составить оптимальную стратегию относительно первоначального состояния. Как видим, процесс решения задачи представляет собой непрерывную оптимизацию результата на каждом отдельном этапе от первого до последнего. Такой метод называется методом программирования сверху. На рисунке схематически показан алгоритм решения сверху вниз. Но существует класс многошаговых задач, в которых максимальный эффект на последнем этапе уже известен, например, мы уже приехали из пункта А в пункт Б и теперь хотим узнать, правильно мы ехали на каждом предыдущем этапе или можно было что-то сделать более оптимально. Возникает рекурсивная последовательность этапов, т. е. мы идем как бы «от обратного». Этот метод решения получил название "метод программирования снизу".

Практическое применение

Динамическое программирование может использоваться в любой сфере деятельности, где присутствуют процессы, которые можно по какому-либо параметру (время, сумма, температура и т. д.) разделить на ряд одинаковых небольших этапов. Наибольшее применение динамические способы решения получили в теории управления и при разработке вычислительных систем.

Поиск оптимального пути

С помощью динамической оптимизации возможно решение широкого класса задач по нахождению или оптимизации кратчайшего пути и других задач, в которых «классический» метод перебора возможных вариантов решения приводит к увеличению времени расчета, а иногда вообще неприемлем. Классическая задача динамического программирования - это задача о рюкзаке: дано некоторое количество предметов с определенной массой и стоимостью, и необходимо выбрать набор предметов с максимальной стоимостью и массой, не превосходящий объем рюкзака. Классический перебор всех вариантов в поисках оптимального решения займет значительное время, а с помощью динамических методов задача решается в приемлемые сроки. Задачи поиска кратчайшего пути для транспортной логистики являются основными, и динамические методы решения оптимально подходят для их решения. Наиболее простым примером такой задачи является построение кратчайшего маршрута автомобильным GPS-навигатором.

Производство

Динамическое программирование широко используется при решении разнообразных производственных задач, таких как управление складскими запасами для поддержания нужного количества комплектующих в любой момент времени, календарное планирование производственного процесса, текущий и капитальный ремонт оборудования, равномерная загрузка персонала, максимально эффективное распределение инвестиционных средств и т. д. Для решения производственных задач методами динамического программирования разработаны специальные программные пакеты, интегрированные в популярные системы управления предприятиями, такие как SAP.

Научная сфера

Методы динамического программирования широко применяются в различных научных исследованиях. Например, они успешно используются в алгоритмах распознавания речи и образов, при обработке больших массивов данных в социологии и

Суть метода динамического программирования………………………..4

Пример решения задачи методом динамического программирования………………………………………………………...7

Список используемых источников……………………………………...11

1. Динамическое программирование. Основные понятия.

Динамическое программирование (ДП) втеории вычислительных систем- способ решения сложных задач путём разбиения их на более простые подзадачи. Он применим к задачам соптимальной подструктурой, выглядящим как набор перекрывающихся подзадач, сложность которых чуть меньше исходной. В этом случае время вычислений, по сравнению с «наивными» методами, можно значительно сократить.

Ключевая идея в динамическом программировании достаточно проста. Как правило, чтобы решить поставленную задачу, требуется решить отдельные части задачи (подзадачи), после чего объединить решения подзадач в одно общее решение. Часто многие из этих подзадач одинаковы. Подход динамического программирования состоит в том, чтобы решить каждую подзадачу только один раз, сократив тем самым количество вычислений. Это особенно полезно в случаях, когда число повторяющихся подзадач экспоненциально велико.

Динамическое программирование представляет собой математический аппарат, который подходит к решению некоторого класса задач путем их разложения на части, небольшие и менее сложные задачи. При этом отличительной особенностью является решение задач по этапам, через фиксированные интервалы, промежутки времени, что и определило появление термина динамическое программирование. Следует заметить, что методы динамического программирования успешно применяются и при решении задач, в которых фактор времени не учитывается. В целом математический аппарат можно представить как пошаговое или поэтапное программирование. Решение задач методами динамического программирования проводится на основе сформулированного Р. Э. Беллманом принципа оптимальности: оптимальное поведение обладает тем свойством, что каким бы ни было первоначальное состояние системы и первоначальное решение, последующее решение должно определять оптимальное поведение относительно состояния, полученного в результате первоначального решения. Из этого следует, что планирование каждого шага должно проводиться с учетом общей выгоды, получаемой по завершении всего процесса, что и позволяет оптимизировать конечный результат по выбранному критерию.

Таким образом, динамическое программирование в широком смысле представляет собой оптимальное управление процессом, посредством изменения управляемых параметров на каждом шаге, и, следовательно, воздействуя на ход процесса, изменяя на каждом шаге состояние системы. В целом динамическое программирование представляет собой стройную теорию для восприятия и достаточно простую для применения в коммерческой деятельности при решении как линейных, так и нелинейных задач.

Динамическое программирование является одним из разделов оптимального программирования. Для него характерны специфические методы и приемы, применительные к операциям, в которых процесс принятия решения разбит на этапы (шаги). Методами динамического программирования решаются вариантные оптимизационные задачи с заданными критериями оптимальности, с определенными связями между переменными и целевой функцией, выраженными системой уравнений или неравенств. При этом, как и в задачах, решаемых методами линейного программирования, ограничения могут быть даны в виде равенств или неравенств. Однако если в задачах линейного программирования зависимости между критериальной функцией и переменными обязательно линейны, то в задачах динамического программирования эти зависимости могут иметь еще и нелинейный характер. Динамическое программирование можно использовать как для решения задач, связанных с динамикой процесса или системы, так и для статических задач, связанных, например, с распределением ресурсов. Это значительно расширяет область применения динамического программирования для решения задач управления. А возможность упрощения процесса решения, которая достигается за счет ограничения области и количества, исследуемых при переходе к очередному этапу вариантов, увеличивает достоинства этого комплекса методов.

Вместе с тем динамическому программированию свойственны и недостатки. Прежде всего, в нем нет единого универсального метода решения. Практически каждая задача, решаемая этим методом, характеризуется своими особенностями и требует проведения поиска наиболее приемлемой совокупности методов для ее решения. Кроме того, большие объемы и трудоемкость решения многошаговых задач, имеющих множество состояний, приводят к необходимости отбора задач малой размерности либо использования сжатой информации. Последнее достигается с помощью методов анализа вариантов и переработки списка состояний.

Для процессов с непрерывным временем динамическое программирование рассматривается как предельный вариант дискретной схемы решения. Получаемые при этом результаты практически совпадают с теми, которые получаются методами максимума Л. С. Понтрягина или Гамильтона-Якоби-Беллмана.

Динамическое программирование применяется для решения задач, в которых поиск оптимума возможен при поэтапном подходе, например, распределение дефицитных капитальных вложений между новыми направлениями их использования; разработка правил управления спросом или запасами, устанавливающими момент пополнения запаса и размер пополняющего заказа; разработка принципов календарного планирования производства и выравнивания занятости в условиях колеблющегося спроса на продукцию; составление календарных планов текущего и капитального ремонтов оборудования и его замены; поиск кратчайших расстояний на транспортной сети; формирование последовательности развития коммерческой операции и т. д.

Динамическое программирование - тема, которой в рунете посвящено довольно мало статей, поэтому мы решили ею заняться. В этой статье будут разобраны классические задачи на последовательности, одномерную и двумерную динамику, будет дано обоснование решениям и описаны разные подходы к их реализации. Весь приведённый в статье код написан на Java.

О чём вообще речь? Что такое динамическое программирование?

Метод решения задачи путём её разбиения на несколько одинаковых подзадач, рекуррентно связанных между собой. Самым простым примером будут числа Фибоначчи - чтобы вычислить некоторое число в этой последовательности, нам нужно сперва вычислить третье число, сложив первые два, затем четвёртое таким же образом на основе второго и третьего, и так далее (да, мы слышали про замкнутую формулу).

Хорошо, как это использовать?

Решение задачи динамическим программированием должно содержать следующее:

И что, мне для решения рекурсивный метод писать надо? Я слышал, они медленные.

Конечно, не надо, есть и другие подходы к реализации динамики. Разберём их на примере следующей задачи:

Вычислить n-й член последовательности, заданной формулами:
a 2n = a n ­+ a n-1 ,
a 2n+1 = a n — a n-1 ,
a 0 = a 1 = 1.

Идея решения

Здесь нам даны и начальные состояния (a 0 = a 1 = 1), и зависимости. Единственная сложность, которая может возникнуть - понимание того, что 2n - условие чётности числа, а 2n+1 - нечётности. Иными словами, нам нужно проверять, чётно ли число, и считать его в зависимости от этого по разным формулам.

Рекурсивное решение

Очевидная реализация состоит в написании следующего метода:

Private static int f(int n){ if(n==0 || n==1) return 1; // Проверка на начальное значение if(n%2==0){ //Проверка на чётность return f(n/2)+f(n/2-1); // Вычисляем по формуле для чётных индексов, // ссылаясь на предыдущие значения }else{ return f((n-1)/2)-f((n-1)/2-1); // Вычисляем по формуле для нечётных //индексов, ссылаясь на предыдущие значения } }

И она отлично работает, но есть нюансы. Если мы захотим вычислить f(12) , то метод будет вычислять сумму f(6)+f(5) . В то же время, f(6)=f(3)+f(2) и f(5)=f(2)-f(1) , т.е. значение f(2) мы будем вычислять дважды. Спасение от этого есть - мемоизация (кеширование значений).

Рекурсивное решение с кэшированием значений

Идея мемоизации очень проста - единожды вычисляя значение, мы заносим его в какую-то структуру данных. Перед каждым вычислением мы проверяем, есть ли вычисляемое значение в этой структуре, и если есть, используем его. В качестве структуры данных можно использовать массив, заполненный флаговыми значениями. Если значение элемента по индексу N равно значению флага, значит, мы его ещё не вычисляли. Это создаёт определённые трудности, т.к. значение флага не должно принадлежать множеству значений функции, которое не всегда очевидно. Лично я предпочитаю использовать хэш-таблицу - все действия в ней выполняются за O(1) , что очень удобно. Однако, при большом количестве значений два числа могут иметь одинаковый хэш, что, естественно, порождает проблемы. В таком случае стоит использовать, например, красно-чёрное дерево .

Для уже написанной функции f(int) кэширование значений будет выглядеть следующим образом:

Private static HashMap cache = new HashMap(); private static int fcashe(int n){ if(!cache.containsKey(n)){//Проверяем, находили ли мы данное значение cache.put(n, f(n)); //Если нет, то находим и записываем в таблицу } return cache.get(n); }

Не слишком сложно, согласитесь? Зато это избавляет от огромного числа операций. Платите вы за это лишним расходом памяти.

Последовательное вычисление

Теперь вернёмся к тому, с чего начали - рекурсия работает медленно. Не слишком медленно, чтобы это приносило действительные неприятности в настоящей жизни, но на соревнованиях по спортивному программированию каждая миллисекунда на счету.

Метод последовательного вычисления подходит, только если функция ссылается исключительно на элементы перед ней - это его основной, но не единственный минус. Наша задача этому условию удовлетворяет.

Суть метода в следующем: мы создаём массив на N элементов и последовательно заполняем его значениями. Вы, наверное, уже догадались, что таким образом мы можем вычислять в том числе те значения, которые для ответа не нужны. В значительной части задач на динамику этот факт можно опустить, так как для ответа часто бывают нужны как раз все значения. Например, при поиске наименьшего пути мы не можем не вычислять путь до какой-то точки, нам нужно пересмотреть все варианты. Но в нашей задаче нам нужно вычислять приблизительно log 2 (N) значений (на практике больше), для 922337203685477580-го элемента (MaxLong/10) нам потребуется 172 вычисления.

Private static int f(int n){ if(n<2) return 1; //Может, нам и вычислять ничего не нужно? int fs = int[n]; //Создаём массив для значений fs=fs=1; //Задаём начальные состояния for(int i=2; i

Ещё одним минусом такого подхода является сравнительно большой расход памяти.

Создание стека индексов

Сейчас нам предстоит, по сути, написать свою собственную рекурсию. Идея состоит в следующем - сначала мы проходим «вниз» от N до начальных состояний, запоминая аргументы, функцию от которых нам нужно будет вычислять. Затем возвращаемся «вверх», последовательно вычисляя значения от этих аргументов, в том порядке, который мы записали.

Зависимости вычисляются следующим образом:

LinkedList stack = new LinkedList(); stack.add(n); { LinkedList queue = new LinkedList(); //Храним индексы, для которых ещё не вычислены зависимости queue.add(n); int dum; while(queue.size()>0){ //Пока есть что вычислять dum = queue.removeFirst(); if(dum%2==0){ //Проверяем чётность if(dum/2>1){ //Если вычисленная зависимость не принадлежит начальным состояниям stack.addLast(dum/2); //Добавляем в стек queue.add(dum/2); //Сохраняем, чтобы //вычислить дальнейшие зависимости } if(dum/2-1>1){ //Проверяем принадлежность к начальным состояниям stack.addLast(dum/2-1); //Добавляем в стек queue.add(dum/2-1); //Сохрнаяем, чтобы //вычислить дальнейшие зависимости } }else{ if((dum-1)/2>1){ //Проверяем принадлежность к начальным состояниям stack.addLast((dum-1)/2); //Добавляем в стек queue.add((dum-1)/2); //Сохрнаяем, чтобы //вычислить дальнейшие зависимости } if((dum-1)/2-1>1){ //Проверяем принадлежность к начальным состояниям stack.addLast((dum-1)/2-1); //Добавляем в стек queue.add((dum-1)/2-1); //Сохрнаяем, чтобы //вычислить дальнейшие зависимости } } /* Конкретно для этой задачи есть более элегантный способ найти все зависимости, здесь же показан достаточно универсальный */ } }

Полученный размер стека – то, сколько вычислений нам потребуется сделать. Именно так я получил упомянутое выше число 172.

Теперь мы поочередно извлекаем индексы и вычисляем для них значения по формулам – гарантируется, что все необходимые значения уже будут вычислены. Хранить будем как раньше – в хэш-таблице.

HashMap values = new HashMap(); values.put(0,1); //Важно добавить начальные состояния //в таблицу значений values.put(1,1); while(stack.size()>0){ int num = stack.removeLast(); if(!values.containsKey(num)){ //Эту конструкцию //вы должны помнить с абзаца о кешировании if(num%2==0){ //Проверяем чётность int value = values.get(num/2)+values.get(num/2-1); //Вычисляем значение values.add(num, value); //Помещаем его в таблицу }else{ int value = values.get((num-1)/2)-values.get((num-1)/2-1); //Вычисляем значение values.add(num, value); //Помещаем его в таблицу } }

Все необходимые значения вычислены, осталось только написать

Return values.get(n);

Конечно, такое решение гораздо более трудоёмкое, однако это того стоит.

Хорошо, математика - это красиво. А что с задачами, в которых не всё дано?

Для больше ясности разберём следующую задачу на одномерную динамику:

На вершине лесенки, содержащей N ступенек, находится мячик, который начинает прыгать по ним вниз, к основанию. Мячик может прыгнуть на следующую ступеньку, на ступеньку через одну или через 2. (То есть, если мячик лежит на 8-ой ступеньке, то он может переместиться на 5-ую, 6-ую или 7-ую.) Определить число всевозможных «маршрутов» мячика с вершины на землю.

Идея решения

На первую ступеньку можно попасть только одним образом - сделав прыжок с длиной равной единице. На вторую ступеньку можно попасть сделав прыжок длиной 2, или с первой ступеньки - всего 2 варианта. На третью ступеньку можно попасть сделав прыжок длиной три, с первой или со втрой ступенек. Т.е. всего 4 варианта (0->3; 0->1->3; 0->2->3; 0->1->2->3). Теперь рассмотрим четвёртую ступеньку. На неё можно попасть с первой ступеньки - по одному маршруту на каждый маршрут до неё, со второй или с третьей - аналогично. Иными словами, количество путей до 4-й ступеньки есть сумма маршрутов до 1-й, 2-й и 3-й ступенек. Математически выражаясь, F(N) = F(N-1)+F(N-2)+F(N-3) . Первые три ступеньки будем считать начальными состояниями.

Реализация через рекурсию

private static int f(int n){ if(n==1) return 1; if(n==2) return 2; if(n==3) return 4; return f(n-1)+f(n-2)+f(n-3); }

Здесь ничего хитрого нет.

Исходя из того, что, по большому счёту, простое решение на массиве из N элементов очевидно, я продемонстрирую тут решение на массиве всего из трёх.

Int vars = new int; vars=1;vars=2;vars=4; for(int i=3; i

Так как каждое следующее значение зависит только от трёх предыдущих, ни одно значение под индексом меньше i-3 нам бы не пригодилось. В приведённом выше коде мы записываем новое значение на место самого старого, не нужного больше. Цикличность остатка от деления на 3 помогает нам избежать кучи условных операторов. Просто, компактно, элегантно.

Там вверху ещё было написано про какую-то двумерную динамику?..

С двумерной динамикой не связано никаких особенностей, однако я, на всякий случай, рассмотрю здесь одну задачу и на неё.

В прямоугольной таблице NxM в начале игрок находится в левой верхней клетке. За один ход ему разрешается перемещаться в соседнюю клетку либо вправо, либо вниз (влево и вверх перемещаться запрещено). Посчитайте, сколько есть способов у игрока попасть в правую нижнюю клетку.

Идея решения

Логика решения полностью идентична таковой в задаче про мячик и лестницу - только теперь в клетку (x,y) можно попасть из клеток (x-1,y) или (x, y-1) . Итого F(x,y) = F(x-1, y)+F(x,y-1) . Дополнительно можно понять, что все клетки вида (1,y) и (x,1) имеют только один маршрут - по прямой вниз или по прямой вправо.

Реализация через рекурсию

Ради всего святого, не нужно делать двумерную динамику через рекурсию. Уже было упомянуто, что рекурсия менее выгодна, чем цикл по быстродействию, так двумерная рекурсия ещё и читается ужасно. Это только на таком простом примере она смотрится легко и безобидно.

Private static int f(int i, int j) { if(i==1 || j==1) return 1; return f(i-1, j)+f(i, j-1); }

Реализация через массив значений

int dp = new int; for(int i=0; iКлассическое решение динамикой, ничего необычного - проверяем, является ли клетка краем, и задаём её значение на основе соседних клеток.

Отлично, я всё понял. На чём мне проверить свои навыки?

В заключение приведу ряд типичных задач на одномерную и двумерную динамику, разборы прилагаются.

Взрывоопасность

При переработке радиоактивных материалов образуются отходы двух видов - особо опасные (тип A) и неопасные (тип B). Для их хранения используются одинаковые контейнеры. После помещения отходов в контейнеры последние укладываются вертикальной стопкой. Стопка считается взрывоопасной, если в ней подряд идет более одного контейнера типа A. Стопка считается безопасной, если она не является взрывоопасной. Для заданного количества контейнеров N определить количество возможных типов безопасных стопок.

Решение

Ответом является (N+1)-е число Фибоначчи. Догадаться можно было, просто вычислив 2-3 первых значения. Строго доказать можно было, построив дерево возможных построений.

Каждый основной элемент делится на два - основной (заканчивается на B) и побочный (заканчивается на A). Побочные элементы превращаются в основные за одну итерацию (к последовательности, заканчивающейся на A, можно дописать только B). Это характерно для чисел Фибоначчи.

Реализация

Например, так:

//Ввод числа N с клавиатуры N+=2; BigInteger fib = new BigInteger; fib=fib=BigInteger.ONE; for(int i=2; i

Подъём по лестнице

Мальчик подошел к платной лестнице. Чтобы наступить на любую ступеньку, нужно заплатить указанную на ней сумму. Мальчик умеет перешагивать на следующую ступеньку, либо перепрыгивать через ступеньку. Требуется узнать, какая наименьшая сумма понадобится мальчику, чтобы добраться до верхней ступеньки.

Решение

Очевидно, что сумма, которую мальчик отдаст на N-ой ступеньке, есть сумма, которую он отдал до этого плюс стоимость самой ступеньки. «Сумма, которую он отдал до этого» зависит от того, с какой ступеньки мальчик шагает на N-ую - с (N-1)-й или с (N-2)-й. Выбирать нужно наименьшую.

Реализация

Например, так:

Int Imax; //*ввод с клавиатуры числа ступенек* DP = new int; for(int i=0; i

Калькулятор

Имеется калькулятор, который выполняет три операции:

• Прибавить к числу X единицу;
• Умножить число X на 2;
• Умножить число X на 3.

Определите, какое наименьшее число операций необходимо для того, чтобы получить из числа 1 заданное число N. Выведите это число, и, на следующей строке, набор исполненных операций вида «111231».

Решение

Наивное решение состоит в том, чтобы делить число на 3, пока это возможно, иначе на 2, если это возможно, иначе вычитать единицу, и так до тех пор, пока оно не обратится в единицу. Это неверное решение, т.к. оно исключает, например, возможность убавить число на единицу, а затем разделить на три, из-за чего на больших числах (например, 32718) возникают ошибки.

Правильное решение заключается в нахождении для каждого числа от 2 до N минимального количества действий на основе предыдущих элементов, иначе говоря: F(N) = min(F(N-1), F(N/2), F(N/3)) + 1 . Следует помнить, что все индексы должны быть целыми.

Для воссоздания списка действий необходимо идти в обратном направлении и искать такой индекс i, что F(i)=F(N) , где N - номер рассматриваемого элемента. Если i=N-1 , записываем в начало строки 1, если i=N/2 - двойку, иначе - тройку.

Реализация

int N; //Ввод с клавиатуры int a = new int; a= 0; { int min; for(int i=2; i1){ if(a[i]==a+1){ ret.insert(0, 1); i--; continue; } if(i%2==0&&a[i]==a+1){ ret.insert(0, 2); i/=2; continue; } ret.insert(0, 3); i/=3; } } System.out.println(a[N]); System.out.println(ret);

Самый дешёвый путь

В каждой клетке прямоугольной таблицы N*M записано некоторое число. Изначально игрок находится в левой верхней клетке. За один ход ему разрешается перемещаться в соседнюю клетку либо вправо, либо вниз (влево и вверх перемещаться запрещено). При проходе через клетку с игрока берут столько килограммов еды, какое число записано в этой клетке (еду берут также за первую и последнюю клетки его пути).

Требуется найти минимальный вес еды в килограммах, отдав которую игрок может попасть в правый нижний угол.

) , выглядящим как набор перекрывающихся подзадач, сложность которых чуть меньше исходной. В этом случае время вычислений, по сравнению с «наивными» методами, можно значительно сократить.

Ключевая идея в динамическом программировании достаточно проста. Как правило, чтобы решить поставленную задачу, требуется решить отдельные части задачи (подзадачи), после чего объединить решения подзадач в одно общее решение. Часто многие из этих подзадач одинаковы. Подход динамического программирования состоит в том, чтобы решить каждую подзадачу только один раз, сократив тем самым количество вычислений. Это особенно полезно в случаях, когда число повторяющихся подзадач экспоненциально велико.

Метод динамического программирования сверху - это простое запоминание результатов решения тех подзадач, которые могут повторно встретиться в дальнейшем. Динамическое программирование снизу включает в себя переформулирование сложной задачи в виде рекурсивной последовательности более простых подзадач.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Словосочетание «динамическое программирование» впервые было использовано в -х годах Р. Беллманом для описания процесса нахождения решения задачи, где ответ на одну задачу может быть получен только после решения задачи, «предшествующей» ей. В г. он уточнил это определение до современного. Первоначально эта область была основана, как системный анализ и инжиниринг, которая была признана IEEE . Вклад Беллмана в динамическое программирование был увековечен в названии уравнения Беллмана , центрального результата теории динамического программирования, который переформулирует оптимизационную задачу в рекурсивной форме.

  Слово «программирование» в словосочетании «динамическое программирование» в действительности к «традиционному» программированию (написанию кода) почти никакого отношения не имеет и имеет смысл как в словосочетании «математическое программирование », которое является синонимом слова «оптимизация». Поэтому слово «программа» в данном контексте скорее означает оптимальную последовательность действий для получения решения задачи. К примеру, определенное расписание событий на выставке иногда называют программой. Программа в данном случае понимается как допустимая последовательность событий.

  Идея динамического программирования

  Оптимальная подструктура в динамическом программировании означает, что оптимальное решение подзадач меньшего размера может быть использовано для решения исходной задачи. К примеру, кратчайший путь в графе из одной вершины (обозначим s) в другую (обозначим t) может быть найден так: сначала считаем кратчайший путь из всех вершин, смежных с s, до t, а затем, учитывая веса ребер, которыми s соединена со смежными вершинами, выбираем лучший путь до t (через какую вершину лучше всего пойти). В общем случае мы можем решить задачу, в которой присутствует оптимальная подструктура, проделывая следующие три шага.

  1. Разбиение задачи на подзадачи меньшего размера.
  2. Нахождение оптимального решения подзадач рекурсивно, проделывая такой же трехшаговый алгоритм .
  3. Использование полученного решения подзадач для конструирования решения исходной задачи.

  Подзадачи решаются делением их на подзадачи ещё меньшего размера и т. д., пока не приходят к тривиальному случаю задачи, решаемой за константное время (ответ можно сказать сразу). К примеру, если нам нужно найти n!, то тривиальной задачей будет 1! = 1 (или 0! = 1).

  Перекрывающиеся подзадачи в динамическом программировании означают подзадачи, которые используются для решения некоторого количества задач (не одной) большего размера (то есть мы несколько раз проделываем одно и то же). Ярким примером является вычисление последовательности Фибоначчи , F 3 = F 2 + F 1 {\displaystyle F_{3}=F_{2}+F_{1}} и F 4 = F 3 + F 2 {\displaystyle F_{4}=F_{3}+F_{2}} - даже в таком тривиальном случае вычисления всего двух чисел Фибоначчи мы уже посчитали дважды. Если продолжать дальше и посчитать , то F 2 {\displaystyle F_{2}} посчитается ещё два раза, так как для вычисления F 5 {\displaystyle F_{5}} будут нужны опять F 3 {\displaystyle F_{3}} и F 4 {\displaystyle F_{4}} . Получается следующее: простой рекурсивный подход будет расходовать время на вычисление решения для задач, которые он уже решал.

  Чтобы избежать такого хода событий мы будем сохранять решения подзадач, которые мы уже решали, и когда нам снова потребуется решение подзадачи, мы вместо того, чтобы вычислять его заново, просто достанем его из памяти. Этот подход называется мемоизацией . Можно проделывать и дальнейшие оптимизации - например, если мы точно уверены, что решение подзадачи нам больше не потребуется, можно выкинуть его из памяти, освободив её для других нужд, или если процессор простаивает и мы знаем, что решение некоторых, ещё не посчитанных подзадач, нам понадобится в дальнейшем, мы можем решить их заранее.

  Подводя итоги вышесказанного можно сказать, что динамическое программирование пользуется следующими свойствами задачи:

  • перекрывающиеся подзадачи;
  • оптимальная подструктура;
  • возможность запоминания решения часто встречающихся подзадач.

  Динамическое программирование обычно придерживается двух подходов к решению задач:

  • нисходящее динамическое программирование: задача разбивается на подзадачи меньшего размера, они решаются и затем комбинируются для решения исходной задачи. Используется запоминание для решений часто встречающихся подзадач.
  • восходящее динамическое программирование: все подзадачи, которые впоследствии понадобятся для решения исходной задачи просчитываются заранее и затем используются для построения решения исходной задачи. Этот способ лучше нисходящего программирования в смысле размера необходимого стека и количества вызова функций, но иногда бывает нелегко заранее выяснить, решение каких подзадач нам потребуется в дальнейшем.

  Языки программирования могут запоминать результат вызова функции с определенным набором аргументов (мемоизация), чтобы ускорить «вычисление по имени». В некоторых языках такая возможность встроена (например, Scheme , Common Lisp , Clojure , Perl), а в некоторых требует дополнительных расширений (C++).

  Известны сериальное динамическое программирование, включённое во все учебники по исследованию операций , и несериальное динамическое программирование (НСДП), которое в настоящее время слабо известно, хотя было открыто в 1960-х годах.

  Обычное динамическое программирование является частным случаем несериального динамического программирования, когда граф взаимосвязей переменных - просто путь. НСДП, являясь естественным и общим методом для учета структуры задачи оптимизации, рассматривает множество ограничений и/или целевую функцию как рекурсивно вычислимую функцию. Это позволяет находить решение поэтапно, на каждом из этапов используя информацию, полученную на предыдущих этапах, причём эффективность этого алгоритма прямо зависит от структуры графа взаимосвязей переменных. Если этот граф достаточно разрежен, то объём вычислений на каждом этапе может сохраняться в разумных пределах.

  Одним из основных свойств задач, решаемых с помощью динамического программирования, является аддитивность . Неаддитивные задачи решаются другими методами. Например, многие задачи по оптимизации инвестиций компании являются неаддитивными и решаются с помощью сравнения стоимости компании при проведении инвестиций и без них.

  Классические задачи динамического программирования

  • Задача о наибольшей общей подпоследовательности : даны две последовательности, требуется найти самую длинную общую подпоследовательность.
  • Задача поиска наибольшей увеличивающейся подпоследовательности : дана последовательность, требуется найти самую длинную возрастающую подпоследовательность.
  • Задача о редакционном расстоянии (расстояние Левенштейна) : даны две строки, требуется найти минимальное количество стираний, замен и добавлений символов, преобразующих одну строку в другую.
  • Задача о порядке перемножения матриц : даны матрицы A 1 {\displaystyle A_{1}} , …, A n {\displaystyle A_{n}} , требуется минимизировать количество скалярных операций для их перемножения.
  • Задача о выборе траектории
  • Задача последовательного принятия решения
  • Задача об использовании рабочей силы
  • Задача управления запасами

  В рассмотренных выше моделях управленческих задач не учитывался время. Это так называемые одноэтапные модели, которые позволяют анализировать статические, не зависящие от времени процессы, допустим, когда изменениями исследуемого процесса во времени можно пренебречь. Управленческое решение по такого моделирования имеет смысл или в условиях стабильности системы, или на короткий промежуток в будущем.

  В реальности все экономические процессы и явления функционируют и развиваются во времени, то есть по своей природе динамичны. Это требует от менеджеров решения практических задач, в которых необходимо учитывать возможные изменения экономических процессов во времени при условии, что процессом можно управлять, то есть влиять на ход его развития.

  Динамическое программирование - это математический аппарат, с помощью которого решаются многошаговые задачи оптимального управления. В таком программировании для управления процессом среди множества всех допустимых решений ищут оптимальное в смысле определенного критерия, то есть такое решение, которое дает экстремальное (больше или меньше) значения целевой функции - некоторой числовой характеристики процесса. Во многостепенность понимают или многоступенчатую структуру процесса, или распределение управления на ряд последовательных этапов, соответствующих, как правило, различным моментам времени. Таким образом, слово "программирование" означает принятие управленческих решений, а слово "динамическое" указывает на существенное значение времени и порядка выполнения операций в процессах и методах, которые рассматриваются.

  В задачи динамического программирования относятся задачи календарного планирования, распределения инвестиций, управление запасами, текущего и капитального ремонта, выбора методов проведения рекламы и тому подобное.

  В одних задачах динамического программирования управленческий процесс распадается на этапы естественным путем, например месяц, квартал, год. В других ситуациях разделение на этапы может иметь условный характер. Особенность всех задач динамического программирования заключается в том, что на каждом этапе можно учитывать предыдущие изменения, управлять ходом событий, оценивая при этом качество такого управления. Итак, динамическое программирование позволяет принять ряд управленческих решений, обеспечивает оптимальность развития системы в целом.

  Рассмотрим общую постановку задачи этого программирования. Пусть исследуется некоторый экономический процесс, имеющий п последовательных этапов. На каждом 7-м этапе процесс может быть в разных состояниях бы, каждый из которых характеризуется конечным множеством параметров. С каждым этапом задачи связано принятие определенного управленческого решения хи, которое переводит систему из одного состояния в другое. Предполагается, что состояние si системы в конце 7-го этапа определяется только предыдущим состоянием si_1 и управлением хи на 7-м этапе и не зависит от предыдущих состояний и управлений. Тогда состояние si системы записывается в виде зависимости

  Si = ф (в, _!, Хи), i = 1, П.

  Эффективность всего процесса управления может быть представлена как сумма эффективностей управленческих решений отдельных этапов, то есть

  При названных условиях задача динамического программирования формулируется так: определить такую допустимую последовательность управленческих решений X = {x1, x2, хп}, которая переводит систему из начального состояния 50 в завершающий состояние sn и при которой достигается максимальная эффективность управления.

  Планируя многоэтапный процесс управления, в задачах динамического программирования необходимо на каждом этапе выбирать управленческое решение с учетом его последствий на тех этапах, которые еще впереди. Только на последнем этапе можно принять управленческое решение, которое даст максимальный эффект, поскольку следующий шаг для него не существует. Поэтому задачи динамического программирования решаются с конца.

  Максимум целевой функции на заключительном п-м этапе равна

  ^ п-О = шах / п ^ п-и хп).

  Соответственно, на (п - 1) -етапи имеем

  г * п-1 (5п-2) = ШaХ ((fn-1 (sn-2, хп-1) + г * п ^ п-1)).

  Учитывая эту закономерность, для произвольного k-этапа можем записать рекуррентную зависимость

  г * (пятый-1) = Шахи (Л (ик-1, хк) + г * + 1)).

  Такая рекуррентная зависимость представляет собой математическую запись принципа оптимальности Беллмана.

  Определив по рекуррентными зависимостями условно-оптимальный эффект на начальном этапе, проводят безусловную оптимизацию управления в "обратном" направлении, в результате чего находят последовательность управленческих решений, обеспечивает максимальную эффективность системы в целом.

  Основные особенности метода динамического программирования

  1. Идея и метод динамического программирования больше приспособлены к дискретных задач, которыми в большинстве являются задачи управления.

  2. Метод динамического программирования можно применять при любом способа задания целевой функции и с любой допустимой множеством состояний и управлений. Этого преимущества лишены классические методы оптимизации и другие вычислительные методы математического программирования.

  3. Вычислительные схемы метода динамического программирования в дискретном случае связанные с переборкой оптимальных значений показателя эффективности и управления на к-м шаге для всех возможных значений переменной состояния, но объем расчетов при этом значительно меньше, чем при прямом переборки вариантов. Это связано с тем, что на этапе условной оптимизации неудачные варианты сразу отбрасываются, а сохраняются лишь условно оптимальные на данном этапе.

  4. Метод динамического программирования дает возможность анализа чувствительности к изменению исходных данных состояний sk и их количества п. Фактически здесь на каждом шагу решается не одна задача, а множество однотипных задач для различных состояний sk и различных к (1 <к <п) . Поэтому с изменением исходных данных нельзя не решать задачу заново, а сделать только несложные добавление к уже выполненных расчетов, то есть продолжить уже решенную задачу за счет увеличения количества шагов п или количества значений sk.

  Выводы

  1. Появление нелинейных моделей связана с необходимостью учитывать и проявлять нелинейные закономерности, которые влияют на принятие оптимального решения. Такие закономерности включаются в ограничения задачи и целевую функцию.

  2. По характеру функций и ограничений, которыми описываются задачи нелинейного программирования, их можно классифицировать следующим образом: классические задачи оптимизации; задачи с нелинейной целевой функцией и линейными ограничениями; задачи выпуклого, квадратичного, сепарабельного программирования.

  3. В отличие от задач линейного программирования, для решения нелинейных задач не существует универсального метода. В каждом конкретном случае необходимо выбирать лучший метод.

  4. Динамическое программирование - это математический аппарат, с помощью которого решаются многошаговые задачи оптимального управления. Во многостепенность понимают или многоступенчатую структуру процесса, или распределения управления на ряд последовательных этапов, соответствующих, как правило, различным моментам времени.

  5. В задачи динамического программирования относятся задачи календарного планирования, распределения инвестиций, управление запасами, текущего и капитального ремонта, выбора методов проведения рекламы и тому подобное. Особенность всех задач динамического программирования заключается в том, что на каждом этапе можно учитывать предыдущие изменения и управлять ходом событий, оценивая при этом качество такого управления.

  6. Решение задач динамического программирования базируется на принципе оптимальности Беллмана. В процессе оптимизации управления методом динамического программирования многошаговый процесс выполняется дважды. Первый раз - от конца к началу, в результате чего находят условно оптимальные управления. Второй - от начала до конца, в результате чего находят оптимальное управление процессом в целом.