научная статья по теме ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ЭКСТРЕМУМОВ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИЙ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ЭКСТРЕМУМОВ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИЙ»

Вычислительная математика

Чапуров Д.В., аспирант Московского государственного института электронной техники

ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ЭКСТРЕМУМОВ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИЙ

Основная задача комбинаторной оптимизации — отыскание допустимого оптимального решения по данным представлениям исходных параметров. В нашей постановке задачи — это нахождение экстремального значения структурной функции, заданной в комбинаторном пространстве своими матрицами порядка и цен. Задача поиска структурных решений имеет особенности по сравнению с аналогичной задачей при параметрическом синтезе из-за самой формы оптимизируемых структурных функций. Методы оптимизации, разработанные для функций, определенных в непрерывном пространстве поиска, не дают результатов при пошаговом численном поиске.

Форма структурных функций в комбинаторном пространстве в наибольшей степени отражает одну из самых характерных черт композиционной технологии проектирования: сами слагаемые значений структурных функций этого типа, содержащегося в матрицах цен, представляют собой не что иное, как формальное количественное отображение того выигрыша, который обнаруживается при совместном выполнении функций по сравнению с их раздельным выполнением. Другим свойством этой формы структурных функции является возможность распространения на нее некоторых обобщающих выводов, полученных при других условиях.

т т

Функции сепарабельного вида определяются суммами типа ¥ = ЕЕауХу ,где аг]- — вес пе-

Г=1 1 =1

рехода от символа с номером г к символу с номером 1, в общем случае ац ^ ап; хц — логическая

переменная, равная единице в том случае, если пара смежных символов с номерами г и 1 входит в комбинацию, и равная нулю в противоположном случае; эта же переменная всегда равна нулю при г = 1; число хг]., равных единице, всегда составляет т. Такого рода функции нашли широкое

практическое применение во многих сферах управления техническими и экономическими объектами в виде следующей детерминированной задачи принятия решений ("задачи коммивояжера" или же задачи о назначении). Вот классическая постановка такой задачи, согласно []:

Имеются два равномощных множества элементов Qi и Qj элементы, которых нумеруется

числами натурального ряда от 1 до п.

Множество управляющих воздействий и = {и, ={0,1}} характеризует наличие связи между элементами qi е Qi и qj е Qj , если иг,} = 1, и отсутствие связи, если иг,} = 0. Каждой паре

<ЧьЧ> поставлено в соответствие неотрицательное число ^, характеризующее стоимость

установления связи между qi и Требуется для каждого элемента qi найти единственный, связанный только с qi, элемент такой, при котором достигается минимум общей стоимости всех п связей, т. е. оценочная функция Е имеет вид:

п п

Е = ЕЕа, 1 • и, 1 —> т1п

г=1 1=1

£

Множество допустимых управлений и ограничено условиями неповторяемости элементов qi и qj во всех связях;

п п _

и/ = {иг 1 : Е и 1 = 1Е ии 1 = 1 i, 1 = 1 п}

г =1 1=1

Задачу на поиск экстремума для функции, представленной в такой форме, можно решать точными методами после преобразования задачи к стандартной форме задач линейного программирования.

Точные методы нахождения экстремума

Например, общее число вариантов решения, которые необходимо проанализировать за все n шагов динамического программирования, определим по формуле:

n - 1 n - 1 !

W = е Ck + 1= е , !(n! k)! + 1 k=1 k=1k!(n - k)!

Приведем оценки числа вариантов при n = 10. Методом полного перебора в этом случае необходимо проанализировать около 4gL06 вариантов решения. При использовании же динамического программирования оценка количества вариантов W приближается к 7g103 .

Однако задачу выбора в такой форме решают крайне редко, так как использование стандартных программ линейного программирования из фондов прикладного математического обеспечения универсальных ЭВМ не является эффективным. По исследованиям [1] время счета задачи выбора на ЭВМ с программой MERCI более чем на порядок превышает время счета специализированным венгерским методом.

Венгерский метод для решения задачи назначения и различные его модификации представлены во многих работах, посвященных решению задачи о назначении. Однако следует отметить, что основу метода, сформированного американским математиком Г. Куном, составляют теоремы Д. Кёнига и И. Эгервари, в честь которых метод и получил название венгерского. Теорему Кёнига применяют для решения задачи так называемого простого назначения, когда матрица А содержит только 0 или 1, Теорема Эгервари позволяет свести задачу назначения с помощью эквивалентных преобразований матрицы А к задаче простого назначения.

В последние годы широко распространена одна из модификаций венгерского метода, так называемый метод Мака. Метод Мака отличается более простой для программирования логикой выбора поэтапных решений, чем метод Куна.

В задачах принятия оперативных решений, реализуемых в многообъектных системах управления, использование венгерского метода решения, метода Мака или Кратчайшего Увеличивающегося Пути, отличающихся наименьшими затратами вычислительных ресурсов, допустимо далеко не всегда. Нередко требуется получить решение задачи в столь короткое сроки, что применить любой из точных методов решения невозможно. В этих условиях обычно можно удовлетвориться любым "не худшим" решением. Такое положение обусловило появление многочисленных методов приближенного решения. В работе [4] высказываются соображения практически приемлемых методов решения комбинаторных задач. Подходы к оптимизационным задачам включают прием, который можно назвать «снижение требований». Он заключается в отказе от поиска оптимального решения и нахождения вместо этого «хорошего» решения за приемлемое время.

Подходы, реализующие прием «снижения требований»:

— Приближенные алгоритмы, порождающие решения, которые отличаются от оптимальных заведомо не более чем на фиксированную долю;

— Вероятностные алгоритмы, работающие относительно некоторого вероятностного распределения на индивидуальных задачах;

— Алгоритмы, основанные на полном использовании особенностей частных случаев, благодаря которым так называемые «труднорешаемые» задачи оказываются упрощенными;

— Экспоненциальные алгоритмы, которые, несмотря на свой характер, могут хорошо работать в пределах достаточных размерностей или при конкретных наборах исходных данных;

— Алгоритмы локального поиска, основанного на старейшем методе «проб и ошибок»;

— Эвристические алгоритмы, в которые могут входить любые из перечисленных выше алгоритмов при отсутствии для них соответствующих формальных гарантий.

Приближенные методы решения

Метод минимального (максимального) элемента

Является одним из самых простых, понятных и эффективных методов поиска решения. Интуитивно кажется очевидным, что при формировании минимального (максимального) по затратам решения, необходимо выбирать наименьший (наибольший) элемент из матрицы, исключать строку и столбец, содержащих его, из решения и продолжать далее, ограничиваясь лишь размерностью массива данных. Метод поэтапного выбора

Также является одним из простых методов решения задачи выбора. Не требует увеличения вычислительных затрат. Но точность невысокая. Ищется максимальный элемент в каждой строке матрицы. Для повышения точности используется предварительное упорядочивание строк:

— по мере убывания сумм их элементов;

— по мере убывания минимальных элементов строк;

— по мере убывания сумм минимальных и ближайших к ним элементов строк; Метод Фогеля

Решение задачи о назначении сводится к выбору из матрицы А порядка п только одного элемента из каждой строки и каждого столбца. Сумма выбранных элементов должна быть минимальной (максимальной). Человек, осуществляющий выбор, может сформулировать некоторые условия, которым выбираемые элементы должны удовлетворять. Наиболее естест-

*

венным кажется предположение о том, что оптимальное решение Е* = { 1,1 } должно содержать минимальный элемент, принадлежащий А. Поэтому доминантное условие можно

сформулировать в виде а{ = т а{, . ^ Е , где а' — первый из включаемых в решение

элементов А. Существуют и более простые формы доминантных условий, в которых учитывается не модуль элементов а{., а их разность. Например, метод Фогеля. Основан на последовательном выборе элементов, согласно правилу

int а, . - min ai .

{i} i,J {i} i,J

int a) j - min at .

{j} {j}

min а . „ _ int a r

где 1 — элемент матрицы, наименьшим в j-м столбце; ,1 — ближаишии к нему

элемент; min a',J — элемент матрицы, наименьший в i-й строке; int a',J — ближайший к нему элемент.

Формируются вектора разницы между минимальными и наиболее близким к ним элементами в строках и столбцах. Находим минимальную разность, исключаем строку и столбец с максимальным элементом.

«Гибкий»(«Жадный») алгоритм

Этот алгоритм решения задачи выбора, объединяющий возможности применения принципа сложности и идеологии принятия решений на расширенном множестве альтернатив. Для получения решения, максимально близкого к оптимальному, за ограниченное время, наиболее перспективной является специальная модификация метода локальных вариаций:

Этап 1. Определение произвольного опорного решения. Пусть это решение составляют элементы главной диагонали матрицы А.

Этап 2. Отыскание среди элементов главной диагонали ац максимального элемента а'ц и ближайшего к нему int a'i д элемента. Пусть для определенности а i = а'к,к, int а'ц = а r ,r.

Этап 3. Решение задач и для пары элементов, которые могут составить "конкуренцию" элементам а'к,к и аг,г, т. е. для элементов ак,г и аг,к. Если неравенство

а, , + а > а, + а ,

k ,k r ,r k ,r r ,k i

' выполняется, то строки k и r меняют местами, если это неравенство не выполняется, то вместо элемента аг,г, берут ближайший к нему меньший элемент, вновь проверяют неравенство и т. д. При выполнении условия после перемены местами строк k и r осуществляют возврат к этапу 2 и начинают новую итерацию.

Сравнительный анализ работы методов

Для сравнительного анализа решений каждого метода набиралась выборка экспериментов (решений для матриц одного и того же размера различными методами). В

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком