Метод ветвей и границ онлайн решение. Метод ветвей и границ целочисленного программирования. Основные понятия

25.06.2019

Общее описание

Общая идея метода может быть описана на примере поиска минимума функции на множестве допустимых значений переменной . Функция и переменная могут быть произвольной природы. Для метода ветвей и границ необходимы две процедуры: ветвление и нахождение оценок (границ).

Процедура ветвления состоит в разбиении множества допустимых значений переменной на подобласти (подмножества) меньших размеров. Процедуру можно рекурсивно применять к подобластям. Полученные подобласти образуют дерево , называемое деревом поиска или деревом ветвей и границ . Узлами этого дерева являются построенные подобласти (подмножества множества значений переменной ).

Процедура нахождения оценок заключается в поиске верхних и нижних границ для решения задачи на подобласти допустимых значений переменной .

В основе метода ветвей и границ лежит следующая идея: если нижняя граница значений функции на подобласти дерева поиска больше, чем верхняя граница на какой-либо ранее просмотренной подобласти , то может быть исключена из дальнейшего рассмотрения (правило отсева ). Обычно, минимальную из полученных верхних оценок записывают в глобальную переменную ; любой узел дерева поиска, нижняя граница которого больше значения , может быть исключен из дальнейшего рассмотрения.

Если нижняя граница для узла дерева совпадает с верхней границей, то это значение является минимумом функции и достигается на соответствующей подобласти.

Применение

Метод используется для решения некоторых NP-полных задач, таких как:

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Метод ветвей и границ" в других словарях:

метод ветвей и границ - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN branch and bound method … Справочник технического переводчика

метод - метод: Метод косвенного измерения влажности веществ, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости этих веществ от их влажности. Источник: РМГ 75 2004: Государственная система обеспечения еди … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Оптимальный маршрут коммивояжёра через 15 крупнейших городов Германии. Указанный маршрут является самым коротким из всех возможных 43 589 145 600. Задача коммивояжёра (англ. Travelling salesman problem, TSP) (коммивояжёр … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Перебор. Полный перебор (или метод «грубой силы», англ. brute force) метод решения математических задач. Относится к классу методов поиска решения исчерпыванием всевозможных… … Википедия

Пример задачи о ранце: необходимо разместить ящики в рюкзак при условии на вместимость рюкзака 15 кг, так чтобы суммарная полезность предметов в рюкзаке была максимальной. Задача о ранце (рюкзаке) (англ. … Википедия

Задача коммивояжёра (коммивояжёр бродячий торговец) является одной из самых известных задач комбинаторной оптимизации. Задача заключается в отыскании самого выгодного маршрута, проходящего через указанные города хотя бы по одному разу с… … Википедия

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

Книги

Разработка программного средства для поиска оптимального портфеля оптовых закупок торгового предприятия , А. В. Мищенко. В рамках настоящей работы разработано программное средство для решения задачи поиска оптимального портфеля оптовых закупок предприятия розничной торговли. При этом использован метод ветвей и…

Начало развитию подхода, получившего название метод ветвей и границ, положила работа Ленд и Дойг (1960). Это, скорее, даже не метод, а концепция или процедурная оболочка, на основе которой стали разрабатывать алгоритмы решения целочисленных задач различной природы. Ценность предложенной идеи стала особенно заметна после появления первого точного алгоритма решения задачи коммивояжера, построенного по схеме ветвей и границ (Литтл с соавторами, 1963). Метод можно применять как к полностью, так и частично целочисленным задачам.

Суть идеи схожа с известной шуткой о ловле льва в пустыне: делим пустыню пополам; если льва нет в первой половине, ищем во второй, которую делим пополам и т. д. В отличии от льва оптимум не перемещается, и в этом смысле наша задача легче.

Метод заключается в построении дерева задач, корнем которого является исходная задача, возможно без условия целочисленности (НЗ). Нижележащие задачи порождаются вышележащими так, что их допустимые множества (ДМ) являются непересекающимися подмножествами ДМ вышележащей задачи. Рост дерева происходит за счет перспективных ветвей. Перспективность определяется по оценке критерия терминальной задачи ветвиV ирекорду Z. ОценкаV – это значение критерия, заведомо не хуже оптимального, аZ – достигнутое в процессе решения значение критерия исходной задачи (в качестве начального может приниматься значение, заведомо хуже оптимального). Значит, задача будет порождающей только при условии, что ее оценка лучше рекорда. При этом уровень, на котором находится задача, не имеет значения.

Рассмотрим метод применительно к линейной целочисленной задаче. Хотя нет каких-либо ограничений на число задач, непосредственно порождаемых перспективной, в алгоритмах, как правило, используется разбиение на две задачи, то есть строится бинарное дерево (рис. 7.5). При этом для целочисленных множеств выполняются соотношения

Очевидно, что если, например,V 22 окажется хуже рекорда илиD 22 =, правая ветвь обрывается (говорят также, что она прозондирована). Если же оценкаV 22 будет лучше Z , производится ветвление: множествоD 22 разбивается на 2 подмножества. Решение завершится, когда все ветви будут прозондированы.

Вид оценки зависит от направленности критерия: при максимизации используется верхняя оценка, при минимизации – нижняя. Последующее изложение метода будет относиться к задаче на максимум.

Для алгоритмической реализации схемы ветвей и границ необходимо решить два основополагающих вопроса:

Каким образом разбивать перспективное множество на подмножества;

Как определять верхнюю оценку критерия на рассматриваемом множестве.

Ответы на них зависят от типа задачи (частично или полностью целочисленная, имеет особые свойства или нет, с булевыми или не булевыми переменными). Ниже рассматривается общий случай.

Пусть известен диапазон возможных значений j -й переменной

0  х j  d j ,

которая в непрерывном оптимальном решении оказалась нецелочисленной и равной x j * . Тогда целочисленное значение этой переменной может достигаться либо в интервале 0  х j 
,либо в интервале
+1 х j  d j , где
- целая часть (рис. 7.6).

Это соответствует разбиению непрерывного множестваD н на два непересекающихся подмножества D 1 н и D 2 н , объединение которых не равно D н . В то же время такое разбиение целочисленного множества удовлетворяет соотношениям (7.9). При этом целочисленные множества, как исходное, так и порожденные, включены в соответствующие непрерывные множества. Следовательно, поиск целочисленного решения на непрерывном множестве даст тот же результат, что и на целочисленном. Легко увидеть, что приведенное выделение подинтервалов по одной переменной приводит к разбиению исходного множества на два подмножества при любом числе переменных.

Теперь перейдем ко второму вопросу. Так как целочисленное множество является подмножеством соответствующего непрерывного, оптимальное значение критерия на непрерывном множестве всегда будет не меньше, чем на целочисленном. Поэтому в качестве верхней оценки V можно брать оптимальное значение критерия L * непрерывной задачи.

Выбор начального значения рекорда зависит от ситуации:

если известно какое-либо целочисленное значение, то рекорд принимается равным критерию в этом решении;

при положительности всех коэффициентов критерия можно взять нулевое значение рекорда;

в иных случаях за начальное значение рекорда берется –М , где М- максимально представимое в компьютере число.

По ходу разбиения формируются порождаемые задачи, которые помещаются в список задач. Первоначальный список содержит только одну задачу – исходную задачу без условий целочисленности. И в последующем список будет содержать только непрерывные задачи.

Таким образом, базовый алгоритм, реализующий метод ветвей и границ, включает следующие шаги.

Приведенный алгоритм является базовым, так как не включает однозначных правил выбора задачи из списка и ветвящей переменной. Для частично целочисленных задач при выборе переменной для ветвления исключаются непрерывные переменные.

Пример 7.3 . Применим алгоритм ветвей и границ к задаче

L= 9x 1 + 5x 2  max;

3x 1 - 6x 2  1;

5x 1 +2x 2  28;

 x j  0 , целые.

Отбрасывая условие цедочисленности, получаем непрерывную задачу, которую помещаем в список задач. Так как коэффициенты критерия положительны, начальное значение рекорда принимаем равным нулю. Берем из списка единственную задачу и решаем ее. Получаем оптимальное решение в вершине А (рис. 7.7):x 1 * =4,72; x 2 * =2,19 . Ветвление производим по переменнойx 1 . Добавляя к решенной задаче ограничение x 1 4, образуем задачу 2, а добавление x 1 5 дает задачу 3. Допустимые множества новых задач покзаны на рис. 7.7. Эти задачи помещаем в список задач. Решение задачи 2 достигается в точке В, а задачи 3 – в С. Весь ход решения исходной задачи представлен в виде дерева решений на рис. 7.10. Порядок решения задач из списка отражает счетчик итераций k . На 3-й итерации (задача 4) получено целочисленное решение со значением критерия 41 (точка D нарис. 7.8). Поэтому изменяется рекорд: Z =41.Задача 6 имеет нецелочисленное решение (вершина Е на рис. 7.9), задача 8 – целочисленное решение в точкеF. В результате после 7-й итерации рекорд становится равным 50.

Остальные задачи не имеют допустимых решений, то есть список задач исчерпывается и, таким образом, констатируем получение оптимального решения исходной задачи, равное решению непрерывной задачи 8.

Из приведенного дерева решений видно, что число задач в списке могло быть меньше при другом порядке решения задач. Действительно, если бы сначала были решены задачи правой ветви с рекордом Z= 50, то после решения задачи 2 не произошло бы ветвления, так как верхняя оценка оказалась бы ниже рекорда (V=L * =45,17<50).

Естественно возникает вопрос: а как на числе задач и дереве решений может отразиться выбор другой переменной для ветвления? Так, в нашем примере если после 1-й итерации произвести ветвление по переменнойx 2 , то получим дерево, показанное на рис. 7.11. Оно содержит на 2 задачи больше, чем на рис. 7.10. Конечно, оно может быть также другим при ином порядке решения задач.

Таким образом, число решаемых задач существенно зависит от выбора задачи из списка и переменной для ветвления.

Из алгоритма и приведенного примера следует, что ветвь обрывается по одной из трех причин:

неразрешимость задачи;

задача имеет целочисленное решение;

верхняя оценка не больше рекорда.

Теперь сделаем ряд замечаний относительно метода ветвей и границ. Как уже отмечалось, в базовом алгоритме не оговариваются правила выбора задачи и переменной. В большинстве программных реализаций метода используются правила, основанные на эвристических оценках перспективности задач и переменных. В некоторых пакетах, например, "ЛП в АСУ" предлагается несколько вариантов управления процессом решения: от автоматического до ручного, в котором пользователь может сам делать выбор как задачи, так и переменной. Кроме того, алгоритмы, основанные на методе ветвей и границ, могут существенно отличаться в связи с учетом особенностей класса задач. Например, для задачи коммивояжера, определение оценки значительно упрощено (не требуется решать непрерывную линейную задачу).

Метода ветвей и границ имеет преимущества в сравнении с методом отсечений:

накопление ошибок менее значительное, так как решение идет по разным ветвям;

при принудительной остановке процесса решения высока вероятность получения целочисленного результата, но без установления его оптимальности;

при решении непрерывных задач размеры симплекс-таблиц не увеличиваются.

Недостатки метода ветвей и границ:

Нельзя оценить число задач, которые придется решать. Чем ближе снизу начальное значение рекорда и сверху оценка критерия задачи к искомому оптимальному значению критерия, тем меньше вершин будет иметь дерево решений, а значит, и затрат ресурсов. Однако завышение начального рекорда может привести к неразрешимости задачи, что всегда следует иметь в виду.

Отсутствие признака оптимальности. Оптимальное решение может быть получено задолго до останова алгоритма, но обнаружить это в общем случае нельзя. Оптимальность устанавливается только по исчерпании списка задач.

Очевидно, что эффективность метода повышается с уменьшением диапазонов значений переменных и числа нецелых переменных в решении первой непрерывной задачи.

Метод ветвей и границ − один из комбинаторных методов. В отличие от метода Гомори применим как к полностью, так и частично целочисленнным задачам.

Его суть заключается в упорядоченном переборе вариантов и рассмотрении лишь тех из них, которые оказываются по определенным признакам полезными для нахождения оптимального решения.

Идея метода ветвей и границ состоит в следующем: пусть решена ослабленная задача без ограничения целочисленности, и - целочисленная переменная, значение которой в оптимальном плане является дробным. Тогда интервал

не содержит допустимых решений с целочисленной координатой . Следовательно, допустимое целое значениедолжно удовлетворять

или
, или

Введение этих условий в задачу порождает две несвязанные между собой задачи с одной и той же целевой функцией, но непересекающимися областями допустимых значений переменных. В этом случае говорят, что задача разветвляется.

Очевидно, что возможен один из следующих четырех случаев.

Одна из задач неразрешима, а другая имеет целочисленный оптимальный план. Тогда этот план и значение целевой функции на нем и дают решение исходной задачи.

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 на новых ограничениях по этой переменной, полученных разделением ее ближайших к решению целочисленных значений.

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. Для определенности здесь и далее полагаем, что решается задача о максимуме целевой функции. 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 вместе со значением целевой функции на нем дает искомое решение.

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, произвести ветвление по дробной переменной и построить две новые задачи.

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 производим ветвление на две новые задачи, разбивая область изменения этой переменной на две, ограниченные целыми числами справа и слева соответственно.

Таким образом, процесс построения все новых и новых задач может быть представлен на рисунке в виде ветвистого дерева, с вершиной, обозначенной «задача 1», и отходящими от этой вершины ветвями. Такая последовательность действий при нахождении оптимального решения задачи целочисленного программирования нашла свое отражение в названии этого метода.

Исходная вершина отвечает оптимальному плану исходной задачи 1, а каждая соединенная с ней ветвью вершина отвечает оптимальным планам новых задач, построенных для новых ограничений по одной из переменных, имеющих в оптимальном плане задачи 1 значение в виде дробного числа.

Каждая из вершин имеет свои ответвления, при этом на каждом шаге выбирается та вершина, для которой значение целевой функции будет наибольшим.

Если на некотором шаге будет получен план, имеющий целочисленные значения, 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.

Пример . Найти методом ветвей и границ решение задачи целочисленного программирования

Решение . Находим оптимальный план сформулированной задачи симплексным методом без учета целочисленности переменных, а именно решаем задачу 1.

Оптимальный план задачи 1 линейного программирования

при
.

Для исходной задачи, с учетом целочисленности переменных, полученное решение не является оптимальным.

Для поиска целочисленного оптимального решения разделим интервал изменения переменной x 1 на две области, а именно x 1  и x 1 = 10 , и разобьем заданную задачу на две новые задачи.

Нижняя граница линейной функции не изменилась: Z 0 = 0. Решаем одну из задач, например задачу 3, симплексным методом. Получаем, что условия задачи противоречивы.

Решаем задачу 2 симплексным методом. Получаем оптимальный целочисленный план поставленной задачи 2, который является также оптимальным планом задачи 1:

при
.

Таким образом, в результате одного ветвления задачи было найдено ее оптимальное решение.

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 .

Рассмотрим задачу дискретного программирования в общем виде:

Найти -вектор неизвестных, D- конечное

множество допустимых значений этого вектора, F(x)- заданная целевая функция.

Идея метода состоит в разбиении D на непересекающиеся подмножества Di (эта процедура называется ветвлением) и вычислении верхней и нижней границ целевой функции на каждом из подмножеств. Нижнюю границу будем обозначать Н, а верхнюю Е. Соответственно Hi Eo, то это подмножество не содержит точку оптимума и может быть исключено из дальнейшего рассмотрения. Если верхняя граница Ei H заменяем Н на min Hi. Если Е=Н, то задача решена, иначе надо продолжить процедуру ветвления и вычисления верхней и нижней границ. При этом разбиению на очередном шаге могут подвергаться все или только некоторые подмножества до достижения равенства верхней и нижней границ, причём не на отдельном подмножестве, а для допустимой области в целом.

Простая идея метода ветвей и границ требует дополнительных вычислений для определения границ. Как правило, это приводит к решению вспомогательной оптимизационной задачи. Если эти дополнительные вычисления требуют большого числа операций, то эффективность метода может быть невелика.

Схему динамического программирования при движении от начальной точке к конечной (рис. 5.1) можно представлять как процедуру ветвления.

Множество всех допустимых траекторий (последовательность по-шаговых переходов) - это исходное множество D, на котором мы должны найти нижнюю и верхнюю границы, а также траекторию, на которой целевая функция достигает верхней границы и объявить рекордом соответствующее ей значение целевой функции. Построение множества состояний, получаемых после первого шага, - это первое ветвление.

Рис. 5.1.

Теперь подмножествами Di являются множества траекторий, каждая из которых проходит через соответствующую i-ую точку.

На последующих шагах после отбраковки всех путей, приводящих в любое (i-oe) состояние, кроме одного, соответствующим подмножеством является этот оставшийся путь со всеми его допустимыми продолжениями (рис. 5.1). Для каждого из таких подмножеств надо как-то найти верхнюю и нижнюю границы. Если нижняя граница превышает текущее значение рекорда, соответствующее состояние и все его продолжения отбраковываются. Если верхняя граница достигается на некоторой траектории и она меньше текущего значения рекорда, то получаем новый рекорд.

Эффективность такого подхода зависит от точности получаемых оценок, т.е. от Ei - Hi, и от затрат времени на их вычисление.

Фактически в упрощённом виде мы уже использовали этот метод при решении задачи о защите поверхности (разд. 4.6), когда отбраковывали состояния, для которых текущие затраты превышали суммарные затраты для начального приближения. В этом случае текущие затраты являются нижней границей, если считать нулевыми затраты на весь оставшийся путь, а суммарные затраты, соответствующие начальному приближению, являются рекордом. При таком подходе рекорд не обновлялся, хотя это можно было сделать построением начального приближения (верхней границы) для оставшегося пути подобно тому как это делалось для всей траектории при построении начального приближения. Получаемая без вычислений нижняя граница соответствует нулевым затратам на весь оставшийся путь и является крайне грубой оценкой, но получаемой «бесплатно», т.е. без вычислений.

Покажем как получать и использовать более точные оценки при решении рассмотренных выше и целого ряда других задач. При этом будем стремиться получать авозможно более точные границы при минимуме вычислений.