Những gì được biết về các giải pháp cho các vấn đề lập trình tuyến tính số nguyên thưa thớt?


23

Nếu tôi có một tập các ràng buộc tuyến tính, trong đó mỗi ràng buộc có tối đa 4 biến (nói) tất cả các hệ số không âm và với các hệ số {0,1} ngoại trừ một biến có thể có hệ số -1), thì điều gì đã biết về giải pháp không gian? Tôi ít quan tâm đến một giải pháp hiệu quả (mặc dù vui lòng cho biết nếu một người biết) hơn là biết mức tối thiểu của hàm mục tiêu có thể nhỏ đến mức nào, như là một hàm của số lượng biến và số lượng ràng buộc và số lượng biến trên mỗi hạn chế.

Cụ thể hơn, chương trình là một cái gì đó như

tối thiểu t
  chủ đề
cho tất cả i, x_i là số nguyên dương
x1 + x2 + x3 - t <0
x1 + x4 + x5 - t <0
...
x3 + x6 - t ≥ 0
x1 + x2 + x7 - t ≥ 0
...

Nếu cần một câu hỏi cụ thể, thì đó có phải là trường hợp mà giải pháp tối thiểu tuân theo t <= O (max {# biến, # của ràng buộc}), với hằng số trong O () tùy thuộc vào độ thưa? Nhưng ngay cả khi câu trả lời là không, tôi vẫn quan tâm hơn đến việc biết loại sách giáo khoa hoặc bài báo nào để thảo luận về các vấn đề đó, và nếu có một lĩnh vực nghiên cứu dành cho loại điều này nhưng tôi không biết các điều khoản để tìm kiếm. Cảm ơn bạn.

Cập nhật: Với sự phản ánh sâu hơn (và suy nghĩ về việc giảm 3SAT khá đơn giản đối với ILP, sử dụng các ràng buộc với ba biến), tôi nhận thấy rằng vấn đề về hệ số là rất quan trọng (nếu có một thuật toán hiệu quả). Chính xác hơn, tất cả các biến x_i đều có 0 hoặc 1 hệ số (với tối đa ba hệ số 1 trong bất kỳ một ràng buộc nào) và tất cả các biến t có hệ số -1 và tất cả các phép so sánh đều có biến ở bên trái và 0 ở bên phải. Tôi đã cập nhật ví dụ trên để làm rõ.


Bạn có thể diễn đạt câu hỏi của bạn chính xác hơn? Tôi không chắc liệu biến t có phải là biến có hệ số âm hay không.
Chandra Chekuri

Có, t là biến có hệ số âm, nếu tất cả các biến được yêu cầu ở phía bên trái. Hoặc, nếu bạn thích, tất cả các hệ số là {0,1} nhưng tất cả x_i's xuất hiện ở phía bên trái và t xuất hiện ở phía bên phải của mỗi ràng buộc.
Dave Doty

Bạn có các ràng buộc x_i 1 cho tất cả i, nhưng bạn cũng yêu cầu t 1 phải không?
Anand Kulkarni

Không rõ ràng, nhưng vì có các ràng buộc của biểu mẫu x_i + ... <t, nên trường hợp t> = 1 sẽ được thi hành.
Dave Doty

1
Bạn có thể muốn kiểm tra một bài báo của D. Chakrabarty và bản thân mình dx.doi.org/10.1007/s00453-010-9431-z (cũng trên arXiv) nơi chúng tôi khảo sát và cải thiện kết quả về khả năng lập trình số nguyên thưa thớt, một số trong đó sau đó đã được cải thiện bởi N. Bansal et al ( springerlink.com/content/e705157852700g23 hoặc arXiv)
daveagp

Câu trả lời:


12

Câu trả lời cho điều này (ít nhất là cho câu hỏi cụ thể về giới hạn tuyến tính của giải pháp) là không. Đây là một phần của bài viết sau: http://arxiv.org/abs/1011.3493 . Định lý 5.1 là động lực cho câu hỏi này.

Ví dụ là đây:

trường hợp cơ sở:

a_1 '+ b_1' - t 0
a_1 '' + b_1 '' - t 0
a_1 + b_1 '- t ≤ -1
a_1 '+ b_1' '- t ≤ -1

trường hợp đệ quy:

a_n '+ b_n' + a_ {n-1} - t ≥ 0
a_n '' + b_n '' + a_ {n-1} - t ≥ 0
a_n + b_n '+ a_ {n-1}' '- t ≤ -1
a_n '+ b_n' + a_ {n-1} '' - t ≤ -1

cùng với việc yêu cầu tất cả chúng là không âm.

Bạn có thể chứng minh bằng cảm ứng rằng bất kỳ giải pháp thực tế nào cũng phải thỏa mãn a_n ''> = a_n + 2 ^ n. Chúng tôi thay đổi các giá trị "<0" thành "≤ -1" bởi vì bất kỳ giải pháp số nguyên nào cũng thỏa mãn "≤ -1" khi và chỉ khi nó thỏa mãn "<0".

Vì vậy, đạo đức là n bất đẳng thức của dạng này có thể có thuộc tính là tất cả các giải pháp số nguyên có ít nhất một số nguyên ít nhất theo cấp số nhân trong n, chắc chắn không bị ràng buộc tuyến tính như chúng ta nghi ngờ ban đầu.


9

Nếu ma trận hệ số hoàn toàn không có hình dạng , thì một giải pháp hiệu quả tồn tại thông qua lập trình tuyến tính thông thường. Điều này đúng với bất kỳ ILP nào, không chỉ những người thưa thớt - mặc dù bạn có nhiều khả năng khai thác tài sản này cho một ILP thưa thớt như của bạn.

Tôi nghi ngờ bạn có thể biết điều này rồi, vì vậy hãy để tôi thử và cho bạn câu trả lời tốt hơn. Trước khi suy nghĩ về các chi tiết quá sâu, câu trả lời cho câu hỏi cụ thể của bạn là "có", một ràng buộc tồn tại. Giao điểm của n bất đẳng thức trong m biến xác định một đa giác. Bởi vì các hệ số rất tốt, chúng ta có thể tìm ra giới hạn trên của kích thước tọa độ các đỉnh của nó với một số học nhỏ. Điều này cung cấp cho bạn một giới hạn trên rất dễ dàng trên kích thước của bất kỳ điểm nguyên nào trong đa giác, và do đó, trên một giải pháp cho chương trình số nguyên của bạn. Bạn đã thử điều này chưa?

Vấn đề của bạn đặc biệt có khá nhiều cấu trúc (tôi tò mò, nó đến từ đâu?) Vì vậy tôi tự tin rằng chúng ta có thể chính xác hơn nhiều so với điều này nếu chúng ta thảo luận thêm.

Bây giờ, cho câu hỏi chung hơn về việc tìm kiếm thông tin về chủ đề này. Đây là loại vấn đề mà theo truyền thống rơi vào lý thuyết về lập trình tuyến tính và số nguyên, một tập hợp con của lập trình toán học.

Đây là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực, nhưng phần lớn công việc diễn ra trong các phòng nghiên cứu hoạt động dưới tiêu đề "tối ưu hóa" và "lập trình toán học" thay vì khoa học máy tính. Có rất nhiều sách giáo khoa có sẵn bao gồm các chủ đề. Bạn có thể xem xét một bởi Wolsey , mà chúng tôi sử dụng tại Berkeley. Dưới đây là danh sách những huyền thoại và phản mẫu được sử dụng bởi Greenberg, bao gồm cả lập trình số nguyên và tuyến tính, có thể cho bạn cảm giác về những điều mọi người xem xét khi phân tích các vấn đề như vậy. Wolsey dày đặc, nhưng là một nơi khá tốt để bắt đầu - có rất nhiều kỹ thuật để phân tích ILP và cải thiện các công thức vấn đề đến mức hiệu quả.

Tôi xin nói thêm rằng nếu bạn theo đuổi cách tiếp cận ngây thơ mà tôi đề xuất, bằng cách phân tích hình học của đa giác, các thuật ngữ để tìm kiếm sẽ liên quan đến kích thước tọa độ của các đỉnh của đa giác. Những thuật ngữ này xuất hiện thường xuyên hơn trong các tài liệu toán học về polytopes.


2
@Dave Doty: có một trang web stackexchange để nghiên cứu hoạt động or-exchange.com .
M. Alaggan

3

Bạn có thể tìm thấy tài khoản quan tâm này:

http://en.wikipedia.org/wiki/Polyh thờ_combinatorics

và đặc biệt là bài viết của G. Ziegler:

Các bài giảng về đa giác 0-1

trong:

Kalai, Gil; Ziegler, Günter M. (2000), Polytopes: Combinatorics and Computing, DMV Seminar, 29, Birkhäuser, ISBN 9783764363512.


Cảm ơn bạn! Trông giống như chính xác loại lĩnh vực sẽ nghiên cứu các loại kết quả này.
Dave Doty
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.