Октябрь 22

Динамическое программирование

Динамическое программирование позволяет находить оптимальное решение задачи путем её декомпозиции на несколько этапов. Такой подход приводит одну большую по размерности задачу ко многих задачам, имеющим меньшую размерность. Это значительно сокращает объем вычислений и ускоряет процесс принятия управленческих решений. Вычисления производятся реккурентно в том смысле, что оптимальное решение одной подзадачи используется в качестве исходных данных для следующей.

Для построения графов использована программа graphviz. Описание работы с ней доступно по ссылке.

Задача. Определить оптимальный маршрут из пункта 1 в пункт 10 по схеме маршрута движения.


# Здесь и далее граф строится с помощью команды dot из пакета graphviz

digraph ex01 {
                rankdir=LR;
                size="8,5"
                node [shape = box];
                "1" -> "2" [ label = "3" ];
                "1" -> "3" [ label = "7" ];
                "1" -> "4" [ label = "2" ];
                "2" -> "5" [ label = "9" ];
                "2" -> "6" [ label = "11" ];
                "3" -> "5" [ label = "5" ];
                "3" -> "6" [ label = "10" ];
                "3" -> "7" [ label = "7" ];
                "4" -> "6" [ label = "15" ];
                "4" -> "7" [ label = "13" ];
                "5" -> "8" [ label = "7" ];
                "5" -> "9" [ label = "5" ];
                "6" -> "8" [ label = "3" ];
                "6" -> "9" [ label = "4" ];
                "7" -> "8" [ label = "7" ];
                "7" -> "9" [ label = "1" ];
                "8" -> "10" [ label = "1" ];
                "9" -> "10" [ label = "4" ];
}

 

main-1

Каждый квадрат на схеме изображает один из населенных пунктов, которые для удобства пронумерованы.

Стоимость проезда из пункта i в пункт j обозначим через \(с_{ij}\) (обозначено на стрелках). Требуется определить такой путь из пункта 1 в пункт 10, общая стоимость которого является минимальной.

Решение без применения компьютера

Решение: Воспользуемся формулой реккурентных соотношений Беллмана $$f_n(i)=\min_j\{c_{ij}+f_{n-1}(j)\},\ n=\bar{{1,N}},$$

где N – количество этапов в решении; \(f_n(i)\) – стоимость, отвечающая стратегии минимальных затрат для пути от пункта i, если до конечного пункта остается n шагов; \(P_n(i)\) – решение, позволяющее достичь  \(f_n(i)\). Начинаем поиск от конечного пункта.

n=1

$$f_1(8)=c_{8,10}=1, P_1(8)=10;$$

$$f_1(9)=c_{9,10}=4, P_1(9)=10;$$

n=2

$$f_2(5)=\min\{c_{5,8}+f_1(8);c_{5,9}+f_1(9)\}=8, P_2(5)=8;$$

$$f_2(6)=\min\{c_{6,8}+f_1(8);c_{6,9}+f_1(9)\}=4, P_2(6)=8;$$

$$f_2(7)=\min\{c_{7,8}+f_1(8);c_{7,9}+f_1(9)\}=5, P_2(7)=9;$$

 

digraph ex02 {
                rankdir=LR;
                size="8,5"
                node [shape = box];
                "1" -> "2" [ label = "3" ];
                "1" -> "3" [ label = "7" ];
                "1" -> "4" [ label = "2" ];
                "2" -> "5" [ label = "9" ];
                "2" -> "6" [ label = "11" ];
                "3" -> "5" [ label = "5" ];
                "3" -> "6" [ label = "10" ];
                "3" -> "7" [ label = "7" ];
                "4" -> "6" [ label = "15" ];
                "4" -> "7" [ label = "13" ];            
# Упростили    
                "5" -> "8" [ label = "7" ];
                "6" -> "8" [ label = "3" ];
                "7" -> "9" [ label = "1" ];
                "8" -> "10" [ label = "1" ];
                "9" -> "10" [ label = "4" ];
}

 

step2-1

n=3

$$f_3(2)=\min\{c_{2,5}+f_2(5);c_{2,6}+f_2(6)\}=15, P_3(2)=6;$$

$$f_3(3)=\min\{c_{3,5}+f_2(5);c_{3,6}+f_2(6);c_{3,7}+f_2(7)\}=12, P_3(3)=7;$$

$$f_3(4)=\min\{c_{4,6}+f_2(6);c_{2,7}+f_2(7)\}=18, P_3(4)=7;$$

digraph ex03 {
                rankdir=LR;
                size="8,5"
                node [shape = box];
                "1" -> "2" [ label = "3" ];
                "1" -> "3" [ label = "7" ];
                "1" -> "4" [ label = "2" ];
# Упростили     на 3 этапе
                "2" -> "6" [ label = "11" ];
                "3" -> "7" [ label = "7" ];
                "4" -> "7" [ label = "13" ];            
# Упростили     на 2 этапе
                "6" -> "8" [ label = "3" ];
                "7" -> "9" [ label = "1" ];
                "8" -> "10" [ label = "1" ];
                "9" -> "10" [ label = "4" ];
}
 

step3-1

n=4

$$f_4(1)=\min\{c_{1,2}+f_3(2);c_{1,3}+f_3(3);c_{1,4}+f_3(4)\}=18, P_4(1)=3;$$

Таким образом оптимальный путь 1-2-6-8-10, затраты по которому составляют \(f_4(1)=18\)

digraph ex01 {
                rankdir=LR;
                size="8,5"
                node [shape = box];
                "1" -> "2" [ label = "3",style=bold,color=red ];
                "1" -> "3" [ label = "7",style=dotted];
                "1" -> "4" [ label = "2",style=dotted ];
                "2" -> "5" [ label = "9",style=dotted ];
                "2" -> "6" [ label = "11",style=bold,color=red ];
                "3" -> "5" [ label = "5",style=dotted ];
                "3" -> "6" [ label = "10",style=dotted ];
                "3" -> "7" [ label = "7",style=dotted ];
                "4" -> "6" [ label = "15",style=dotted ];
                "4" -> "7" [ label = "13",style=dotted ];
                "5" -> "8" [ label = "7",style=dotted ];
                "5" -> "9" [ label = "5",style=dotted ];
                "6" -> "8" [ label = "3",style=bold,color=red ];
                "6" -> "9" [ label = "4",style=dotted ];
                "7" -> "8" [ label = "7",style=dotted ];
                "7" -> "9" [ label = "1",style=dotted ];
                "8" -> "10" [ label = "1",style=bold,color=red ];
                "9" -> "10" [ label = "4",style=dotted ];
}

step4-1


Решение в R

Для решения задач связанных с поиском кратчайшего пути в графе в GNU R можно использовать функцию пакет igraph. В таком случае


library(igraph)
mytable<-data.frame(from=c(1,1,1,2,2,3,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,9)
            to=c(2,3,4,5,6,5,6,7,6,7,8,9,8,9,8,9,10,10),
            weight=c(3,7,2,9,11,5,10,7,15,13,7,5,3,4,7,1,1,4))
## from to weight
## 1 1 2 3
## 2 1 3 7
## 3 1 4 2
## 4 2 5 9
## 5 2 6 11
## 6 3 5 5

Задаем граф, рисуем его и находим кратчайшие пути.


g<-graph.data.frame(mytable,directed =T )
plot(g)

unnamed-chunk-5-1


distances(g,algorithm ="bellman-ford")

##     1  2  3  4  5  6  7  8  9 10
## 1   0  3  7  2 12 14 14 17 15 18
## 2   3  0 10  5  9 11 15 14 14 15
## 3   7 10  0  9  5 10  7 12  8 12
## 4   2  5  9  0 14 15 13 18 14 18
## 5  12  9  5 14  0  9  6  7  5  8
## 6  14 11 10 15  9  0  5  3  4  4
## 7  14 15  7 13  6  5  0  6  1  5
## 8  17 14 12 18  7  3  6  0  5  1
## 9  15 14  8 14  5  4  1  5  0  4
## 10 18 15 12 18  8  4  5  1  4  0

shortest_paths(g, 1, 10)$vpath

## [[1]]
## + 5/10 vertices, named:
## [1] 1  2  6  8  10



Опубликовано 22.10.2016 Тушавин В.А. в категории "Прикладные методы оптимизации