Komplizierte Probleme der Informatik
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- Helge Kappel
- vor 5 Jahren
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1 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Komplizirt Prolm r Inormtik Mr Hnhi Juli 2003 Komplxitätsklssn Lösungstrtgin TSP Zusmmnssung Rnomisirt Algorithmn
2 Univrsität Angwnt Inormtik Bill Prolmklssn EXPTIME: xponntill NP: nihttrministish polynomil (Rukskprolm, Trvling Slsmn Prolm, Erüllrkit) P: trminitish polynomil ( Sortirn, usw. ) Für Prolm in EXPTIME stht kin Honung u izint Algorithmn Prolm us NP könnn in polynomilr Zit mit inm nihttrministishn Algorithmus glöst wrn. Für kin NP-hrts Prolm konnt ishr in trministishr polynomilr Algorithmus gunn wrn Groß Frg r thortishn Inormtik: NP = P? Mthmtis Institut) (1 Mio $ von Cly Komplizirt Prolm > 1
3 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Ein Bispil: Wltrisprolm (TSP) Aug: Plünr ll 193 Sttn r Er u r kürzstn Strk! kürzstr Wg ür ll Knotn ins Grphn mit gwihttn Kntn Komplizirt Prolm < > 2
4 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Ein Bispil: Wltrisprolm (TSP) Aug: Plünr ll 193 Sttn r Er u r kürzstn Strk! kürzstr Wg ür ll Knotn ins Grphn mit gwihttn Kntn Wltris urh ll 193 Länr 192! = möglih Routn Univrsum ht Atom un ist rst 12, Jhr lt Komplizirt Prolm < > 2
5 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Ein Bispil: Wltrisprolm (TSP) Aug: Plünr ll 193 Sttn r Er u r kürzstn Strk! kürzstr Wg ür ll Knotn ins Grphn mit gwihttn Kntn Wltris urh ll 193 Länr 192! = möglih Routn Univrsum ht Atom un ist rst 12, Jhr lt xkt Lösung so niht rhnr ( O((n 1)!/2)) Komplizirt Prolm < > 2
6 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Ein Bispil: Wltrisprolm (TSP) Aug: Plünr ll 193 Sttn r Er u r kürzstn Strk! kürzstr Wg ür ll Knotn ins Grphn mit gwihttn Kntn Wltris urh ll 193 Länr 192! = möglih Routn Univrsum ht Atom un ist rst 12, Jhr lt xkt Lösung so niht rhnr ( O((n 1)!/2)) Ws tun? Komplizirt Prolm < > 2
7 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Lösungsnsätz NP-hrtr Prolm Suklssnintiiktion Vil utrtn Prolm sin in r rln Anwnung n Voringungn gknüpt, i s Prolm zum Til rhlih vrinhn. Rnomisirung Vrmiung ungshiktr Ausgngskonigurtionn urh Zullsvrtilung, vrssrt niht i worst-s-komplxität, r n vrgs. Mthis Ktzr Approximtion Durh izintr Vrhrn in Lösung rmittln, i nur um inn stimmtn Fhlr von r optimln Lösung wiht Komplizirt Prolm < > 3
8 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Lösungsnsätz NP-hrtr Prolm Suklssnintiiktion Vil utrtn Prolm sin in r rln Anwnung n Voringungn gknüpt, i s Prolm zum Til rhlih vrinhn. Rnomisirung Vrmiung ungshiktr Ausgngskonigurtionn urh Zullsvrtilung, vrssrt niht i worst-s-komplxität, r n vrgs. Mthis Ktzr Approximtion Durh izintr Vrhrn in Lösung rmittln, i nur um inn stimmtn Fhlr von r optimln Lösung wiht Ein Stnrpproximtionsvrhrn ist i Klss r gry (girign) Algorithmn: rmittlt immr i lokl st Lösung, u. U. u Kostn ins shlhtrn Gsmtrgnisss (hr girig) vorwign ür Optimirungsugn (Minimum, Mximum ingstzt) lokl Optimirung ührt (hontlih) zu gutr glolr Approximtion Komplizirt Prolm < > 3
9 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Komplizirt Prolm < > 4
10 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Komplizirt Prolm < > 4
11 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
12 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
13 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
14 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
15 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
16 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
17 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
18 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
19 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
20 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Komplizirt Prolm < > 4
21 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms I Brhn Miniml-spnning-Tr [Prim, 1957]... Wähl in Strtknotn Wähl kürzst vrügr Knt, i niht hnlt, rrihr Knotn mit rits vrrittn vrint Füg nähstn Knotn m Lösungsgrphn hinzu En, wnn ll Knotn ritt Luzit: O(n 2 ) Komplizirt Prolm < > 4
22 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = ( Komplizirt Prolm < > 5
23 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (, Komplizirt Prolm < > 5
24 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,, Komplizirt Prolm < > 5
25 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,, Komplizirt Prolm < > 5
26 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,, Komplizirt Prolm < > 5
27 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,,, Komplizirt Prolm < > 5
28 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,,,,) Komplizirt Prolm < > 5
29 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,,,,) Luzit: O(n) Qulität r Approximtion: l(r mst ) 2l(R opt ) Komplizirt Prolm < > 5
30 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum DEMO Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,,,,) Luzit: O(n) Qulität r Approximtion: l(r mst ) 2l(R opt ) Komplizirt Prolm < > 5
31 Univrsität Bill Angwnt Inormtik Approximtion s TSP-Prolms II... un trvrsir n Bum DEMO Trvrsir pth-irst usghn vom Strtpunkt Ürspring rits suht Knotn Lösung: R mst = (,,,,,,) Luzit: O(n) Qulität r Approximtion: l(r mst ) 2l(R opt ) Jn Shär: gntishr Algorithmus & DEMO Komplizirt Prolm < > 5
32 Univrsität Bill Angwnt Inormtik TSP-Anwnungn Shwißrootr: Trjktorinplnung Pross-Shuling Pltinnlyout Flugroutn Nvigtionssystm Bsis ür vil nr gomtrish Algorithmn Komplizirt Prolm < > 6
33 Univrsität Bill Angwnt Inormtik TSP-Anwnungn Shwißrootr: Trjktorinplnung Pross-Shuling Pltinnlyout Flugroutn Nvigtionssystm Bsis ür vil nr gomtrish Algorithmn un ntürlih: Ruzüg Komplizirt Prolm < > 6
34 Univrsität Angwnt Inormtik Bill Tk-Hom-Mssgs Bwist NP = P or NP P un Ihr si rih Fint gut Approximtionslgorithmn ür NP-hrt Prolm Vrmit NP-hrt Prolm Komplizirt Prolm < 7
35 Univrsität Angwnt Inormtik Bill Tk-Hom-Mssgs Bwist NP = P or NP P un Ihr si rih Fint gut Approximtionslgorithmn ür NP-hrt Prolm Vrmit NP-hrt Prolm un nun Mthis Ktzr: Rnomisirt Algorithmn Komplizirt Prolm < 7
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