Rundreiseproblem und Stabilität von Approximationsalg.

Ähnliche Dokumente
Das Rundreiseproblem und Stabilität von Approximationsalgorithmen

Approximationsalgorithmen für NP-harte Optimierungsprobleme

Approximationsalgorithmen für NP-harte Optimierungsprobleme

Theoretische Informatik 1

Theoretische Informatik 1

Algorithmische Methoden für schwere Optimierungsprobleme

Überblick. TSP Vergleich der Lösungen. Das Travelling Salesman Problem. Nearest-Neighbor Heuristik für TSP

Kap. 7.1 Heuristiken Kap. 7.2 Approximative Algorithmen und Gütegarantien

Approximation mit relativer Gütegarantie Überblick und einführende Beispiele

Algorithmische Graphentheorie

Algorithmische Graphentheorie

Einführung in Berechenbarkeit, Komplexität und Formale Sprachen

3 Klassifikation wichtiger Optimierungsprobleme

Übung 2 Algorithmen II

Polynomialzeit- Approximationsschema

Näherungsalgorithmen (Approximationsalgorithmen) WiSe 2008/09 in Trier. Henning Fernau Universität Trier

Betriebliche Optimierung

Betriebswirtschaftliche Optimierung

Approximationsalgorithmen

Proseminar Online Algorithmen, Prof. Dr. Rolf Klein

Das Problem des minimalen Steiner-Baumes

Einführung in das Seminar Algorithmentechnik

Ferienkurs zur algorithmischen diskreten Mathematik Kapitel 6: Matchings und TSP-Problem

Betriebliche Optimierung

Approximationsalgorithmen. 19. Dezember / 28

Betriebswirtschaftliche Optimierung

Approximierbarkeit. Definition. Ein Optimierungsproblem P ist gegeben durch ein Quadrupel. P = (I, Sol, m, goal), wobei:

Approximationsklassen für Optimierungsprobleme

abgeschlossen unter,,,, R,

Übungsblatt 6. Vorlesung Theoretische Grundlagen der Informatik im WS 16/17

Hamiltonsche Graphen

Kapitel 9: Lineare Programmierung Gliederung

Informatik III. 4.3 Weitere NP-Vollständige Probleme und Approximation. Christian Schindelhauer

Kombinatorische Optimierung

Datenstrukturen und Algorithmen

Übungsblatt 6. Vorlesung Theoretische Grundlagen der Informatik im WS 16/17

Einführung in Algorithmen und Komplexität

Theorie der Informatik. Theorie der Informatik P und NP Polynomielle Reduktionen NP-Härte und NP-Vollständigkeit

Vorlesung Theoretische Informatik (Info III)

Theoretische Grundlagen der Informatik

Schnittebenenverfahren für das symmetrische

Approximationsalgorithmen

NP-vollständig - Was nun?

Algorithmen und Datenstrukturen 2 VU 3.0 Nachtragstest SS Oktober 2016

Übungsblatt 5. Vorlesung Theoretische Grundlagen der Informatik im WS 17/18

Seminararbeit: K-Opt und die Lin-Kernighan-Heuristik für das allgemeine TSP

lineare Programmierung

Theoretische Grundlagen der Informatik

Klausur zum Modul Einführung in die Diskrete Mathematik

Entwurf und Analyse von Algorithmen

Informatik III. Arne Vater Wintersemester 2006/ Vorlesung

Die Klasse NP und die polynomielle Reduktion. Prof. Dr. Berthold Vöcking Lehrstuhl Informatik 1 Algorithmen und Komplexität RWTH Aachen

Die Klasse NP und die polynomielle Reduktion

Toleranzbasierte Algorithmen für das Travelling Salesman Problem. Gerold Jäger

Rechenzeit für A. Sei t B die Rechenzeit eines Algo für B. Seien p,q,r monotone Polynome ( +).

Theoretische Grundlagen der Informatik

Probleme aus NP und die polynomielle Reduktion

Literatur für diese VO. Überblick. Kap. 5: Approximationsalgorithmen für kombinatorische Optimierungsprobleme

Kap. 5: Approximationsalgorithmen für kombinatorische Optimierungsprobleme

Seminar Parametrisierte Algorithmen für N P-schwere Probleme

Approximationsalgorithmen. Approximation im Sinne der Analysis:

Approximationsalgorithmen. Wintersemester 2013/14 HERZLICH WILLKOMMEN!

Algorithmische Graphentheorie

Theorie der Informatik Übersicht. Theorie der Informatik SAT Graphenprobleme Routing-Probleme. 21.

Grundlagen Theoretischer Informatik 3 SoSe 2012 in Trier. Henning Fernau Universität Trier

Das Problem des Handlungsreisenden

Kap. 7 Optimierung. Überblick. Optimierung: Einführung. Motivation. Beispiele für Optimierungsprobleme. Rundreiseprobleme (TSP)

Einführung in Approximative Algorithmen und Parametrisierte Komplexität

Theoretische Grundlagen der Informatik

Seminar. Das Steinerbaumproblem

Theoretische Informatik 1

Zählen perfekter Matchings in planaren Graphen

Paper Computer Science Experiment. Computation (NP-Vollständigkeit) Traveling Salesman

Algorithmische Graphentheorie

Datenstrukturen und Algorithmen SS07

7. Der Entwurf von Algorithmen (Fortsetzung)

Teil III. Komplexitätstheorie

Approximationsalgorithmen am Beispiel des Traveling Salesman Problem

VL-18: Jenseits von P und NP. (Berechenbarkeit und Komplexität, WS 2017) Gerhard Woeginger

Grundlagen der Informatik Kapitel 20. Harald Krottmaier Sven Havemann

Dynamisches Routing in der Logistik

Mustererkennung: Graphentheorie

Algorithmentheorie 1. Vorlesung

Local Search Algorithmen 1

Informatik III. Christian Schindelhauer Wintersemester 2006/ Vorlesung

Numerische Methoden und Algorithmen in der Physik

Komplexität von Algorithmen Musterlösungen zu ausgewählten Übungsaufgaben

11. Übung zu Algorithmen I 6. Juli 2016

Komplexitatstheoretische Zwischenbetrachtungen: Klassen & eine Hierarchic

Effiziente Algorithmen II

Optimierungsprobleme. B. Langfeld, M. Ritter, B. Wilhelm Diskrete Optimierung: Fallstudien aus der Praxis

Formale Grundlagen der Informatik F3: Berechenbarkeit un

Wie komme ich von hier zum Hauptbahnhof?

Aufgabe 1: Berechnen Sie für den in Abbildung 1 gegebenen Graphen den. Abbildung 1: Graph für Flussproblem in Übungsaufgabe 1

VL-17: Jenseits von P und NP. (Berechenbarkeit und Komplexität, WS 2018) Gerhard Woeginger

Eulerweg, Eulerkreis. Das Königsberger Brückenproblem. Definition 3.1. Ein Weg, der jede Kante von G genau einmal

OR für Wirtschaftsingenieure. Übungsserie 5: Das Traveling Salesman Problem

Transkript:

Das Rundreiseproblem und Stabilität von Approximationsalgorithmen Friedrich Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Seminar Perlen der theoretischen Informatik, 2008-01-19 http://verplant.org/uni/perlen/

Gliederung Das Rundreiseproblem Das Rundreiseproblem Das TSP Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides

Motivation Für viele spezielle Probleme existieren gute Approximationsalgorithmen Ist es möglich diese Algorithmen auch für normale Instanzen zu nutzen? Wie gut sind diese Lösungen?

Das Rundreiseproblem Das TSP Das Rundreiseproblem Definition Das Rundreiseproblem wird auch Traveling Salesperson Problem (TSP) genannt. Sei G = (V, E) ein vollständiger, ungerichteter Graph mit Kantengewichten Gesucht ist die kürzeste (billigste) Rundreise, so dass jeder Knoten genau einmal besucht wird (Hamiltonkreis)

Das Rundreiseproblem Das TSP Das Rundreiseproblem NP-Vollständigkeit TSP ist stark NP-vollständig Approximationsalgorithmen mit relativer Güte kann es nur geben, wenn P = NP Es gibt exakte Algorithmen mit Laufzeit O(n 2 2 n ) O(n!)

Das Rundreiseproblem Das TSP Das Rundreiseproblem Varianten Asymmetischrs TSP: Hin- und Rückweg haben nicht notwendigerweise die gleichen Kosten TSP mit Dreiecksungleichung ( TSP): a c a b c euklidisches TSP: Knoten haben euklidische Abstände (beinhaltet Dreiecksungleichung)...

Das Rundreiseproblem Das TSP Das Rundreiseproblem Das TSP Für alle Knoten gilt die Dreiecksungleichung Umwege sind teurer als direkt zu gehen Problem immernoch NP-schwer Approximationsalgorithmen mit relativer Güte existieren: 2APPR mit Güte 2, Christofides [2] mit Güte 3 2 Diese Algorithmen werden im Folgenden kurz vorgestellt

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Approximationsalgorithmen Approximationsalgorithmen für Optimierungsprobleme berechnen möglichst gute Lösungen Die Abweichung vom Optimum ist nicht beliebig groß Laufzeit ist aber (verhältnismäßig) gering (also: polynomiell)

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Approximationsgüte Das Verhältnis von schlechtester approximierter zur optimalen Lösung heißt Approximationsgüte Zum Beispiel: Optimale Lösung/Rundreise: 100 Approximierte Lösung/Rundreise: 150 Güte mindestens 1,5

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus 2APPR Sei H ein minimaler Spannbaum von G Berechne eine Eulertour auf H H; überspringe doppelte Knoten Approximationsgüte 2 folgt aus der Minimalität des Spannbaums und der Dreiecksungleichung

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Beweis für die Güte von 2APPR 2APPR besitzt eine relative Güte von 2: Die Kosten des minimalen Spannbaum sind kleiner als die kosten der optimalen Rundreise R OPT : ( cost(h) 1 1 ) cost(r OPT ) V Durch das überspringen von Kanten wird die Strecke nicht länger (Dreickesungleichung): cost (A(x)) 2 cost(h) 2 cost(r OPT )

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Christofides Sei H ein minimaler Spannbaum von G Sei V u die Menge aller Knoten in H mit ungeradem Grad Sei M ein leichtestes Matching aller Knoten in V u Berechne eine Eulertour auf H M; überspringe doppelte Knoten Approximationsgüte 3 2 folgt aus der Minimalität des Spannbaums und des leichtesten Matchings sowie der Dreiecksungleichung

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Beweis für die Güte von Christofides Christofides besitzt eine relative Güte von 3 2 : Die Kosten des minimalen Spannbaum sind kleiner als die kosten der optimalen Rundreise R OPT Die Kosten des leichtesten Matchings sind kleiner als 1 2 R OPT Durch das überspringen von Kanten wird die Strecke nicht länger (Dreickesungleichung): cost (A(x)) cost(h) + cost(m) 3 2 cost(r OPT)

Der 2APPR-Algorithmus Der Christofides-Algorithmus Wichtige Bemerkung Die Algorithmen selbst haben die Dreiecksungleichung nicht verwendet. Lediglich die Abschätzung der Approximationsgüte verwendet die -Ungleichung!

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Definition 1/2 Definition nach [1] Sei L φ eine Spezialisierung des (Optimierungs)Problems L Sei A φ (x) ein Approximationsalgorithmus für L φ mit relativer Güte δ φ Sei h φ (x) eine Abstandsfunktion für die gilt: h φ (x) = 0 für x L φ h φ (x) effizient berechenbar Sei L φ,h,r die Menge aller Probleminstanzen, deren Abstand (bezüglich h φ ) kleiner oder gleich r ist: L φ,h,r = {x L : h φ (x) r}

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Definition 2/2 A φ (x) heißt p-stabil bezüglich h φ, wenn für jedes r, 0 r p ein δ φ,r R >1 existiert, so dass A φ (x) ein Approximationsalgorithmus für L φ,h,r mir relativer Güte δ φ,r ist. A φ (x) heißt stabil bezüglich h φ, wenn A φ (x) für alle p R + p-stabil bezüglich h φ ist. A φ (x) heißt instabil bezüglich h φ, wenn A φ (x) für kein p R + p-stabil bezüglich h φ ist. A φ (x) heißt (r, f r (n))-quasistabil bezüglich h φ, wenn A φ (x) ein Approximationsalgorithmus für L φ,h,r mir relativer Güte f r (n) ist.

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Abstandsfunktionen für TSP Definition Funktion Dist three = { { }} cost(u, v) max 0, max 1, u, v, w V cost(u, w) + cost(w, v) Sei W u,v = {w 1 = u, w 2,..., w m = v} ein einfacher Pfad von u nach v. Funktion Dist path = { { }} cost(u, v) max 0, max 1, u, v V cost(w u,v )

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Stabilität von 2APPR und Christofides Stabilität bezüglich Dist path 2APPR und Christofides sind stabil bezüglich Dist path Die Kosten des berechneten Hamiltonkreises v 0 v 1... v n v 0 sind maximal (1 + r) mal die Kosten von v 0 p v 1 p... p v n p v 0 wobei u p v der kurzeste Pfad von u nach v in G ist. 2APPR ist ein (2 (1 + r))-approximationsalgorithmus für TSP Christofides ist ein ( 3 2 (1 + r)) -Approximationsalgorithmus für TSP

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Stabilität von 2APPR und Christofides Stabilität bezüglich Dist three Jeder Pfad p mit m Kanten in G kann durch eine einzige Kante e mit cost (e) (1 + r) log 2 m cost (p) ersetzt werden. ( 2APPR ist r, 2 (1 + r) log n ) 2 -quasistabil bezüglich Dist three ( Christofides ist r, 3 2 (1 + r) log n ) 2 -quasistabil bezüglich Dist three 2APPR und Christofides sind instabil bezüglich Dist three

Definition Abstandsfunktionen für TSP Stabilität von 2APPR und Christofides Der PMCA-Algorithmus Ein stabiler Algorithmus bezüglich Dist three In [1] wird der PMCA-Algorithmus vorgestellt Der Algorithmus ist stabil bezüglich Dist three Erreicht wird das durch ein Pfad-Matching und trickreiche Abkürzungen Die Approximationsgüte ist 3 2 (1 + r)2, die Laufzeit O(n 3 )

1/2 Das Rundreiseproblem Das allgemeine TSP kann man nicht gut approximieren Für das TSP gibt es gute Approximationsalgorithmen Die Algorithmen verwenden die Dreiecksungleichung nicht, lediglich die Abschätzung braucht sie

2/2 2APPR und Christofides sind stabil bezüglich Dist path aber instabil bezüglich Dist three 2APPR und Christofides sind quasistabil bezüglich Dist three Mit PMCA existiert ein Approximationsalgorithmus für TSP der stabil bezüglich Dist three ist

Literatur Hans-Joachim Böckenhauer, Juraj Hromkovic, Ralf Klasing, Sebastian Seibert, and Walter Unger. Towards the notion of stability of approximation for hard optimization tasks and the traveling salesman problem. In CIAC 00: Proceedings of the 4th Italian Conference on Algorithms and Complexity, pages 72 86, London, UK, 2000. Springer-Verlag. Nicos Christofides. Worst-case analysis of a new heuristic for the travelling salesman problem. In Algorithms and Complexity: New Directions and Recent Results, page 441. Academic Press, 1976.