12-apx/12-apx.tex

   1 \input lecnotes.tex
   2 \prednaska{12}{Aproximaèní algoritmy}{(???)}
   3
   4 \h{Pseudopolynomiální algoritmus pro problém batohu}
   5
   6 \s{POZOR:} Na~pøedná¹ce byla jen verze bez cen, nauète se, prosím, obì. --M.M.
   7
   8 \s{Problém batohu:} Je dána mno¾ina $n$~pøedmìtù s~hmotnostmi $h_1,\ldots,h_n$
   9 a cenami $c_1,\ldots,c_n$ a batoh, který unese hmotnost~$H$. Naleznìte takovou
  10 podmno¾inu pøedmìtù, jejich¾ celková hmotnost je nejvý¹e~$H$ a celková cena je
  11 maximální mo¾ná.
  12
  13 Tento problém je zobecnìním problému batohu z~minulé pøedná¹ky dvìma smìry:
  14 Jednak místo rozhodovacího problému øe¹íme optimalizaèní, jednak pøedmìty
  15 mají ceny (pøedchozí verze odpovídala tomu, ¾e ceny jsou rovny hmotnostem).
  16 Uká¾eme si algoritmus pro øe¹ení tohoto obecného problému, jeho¾ èasová
  17 slo¾itost bude polynomiální v~poètu pøedmìtù~$n$ a souètu v¹ech cen~$C=\sum_i c_i$.
  18
  19 Pou¾ijeme dynamické programování. Pøedstavme si problém omezený na~prvních~$k$
  20 pøedmìtù. Oznaème si $A_k(c)$ (kde $0\le c\le C$) minimální hmotnost
  21 podmno¾iny, její¾ cena je právì~$c$. Tato $A_k$ spoèteme indukcí podle~$k$:
  22 Pro $k=0$ je urèitì $A_0(0)=0$, $A_0(c)=\infty$ pro $c>0$. Pokud ji¾ známe
  23 $A_{k-1}$, spoèítáme $A_k$ následovnì: $A_k(c)$ odpovídá nìjaké podmno¾inì
  24 pøedmìtù z~$1,\ldots,k$. V~této podmno¾inì jsme buïto $k$-tý pøedmìt nepou¾ili
  25 (a pak je $A_k(c)=A_{k-1}(c)$) nebo pou¾ili a tehdy bude $A_k(c) = A_{k-1}(c-c_k) + h_k$
  26 (to samozøejmì jen pokud $c\ge c_k$). Z~tìchto dvou mo¾ností si vybereme tu,
  27 která dává mno¾inu s~men¹í hmotností. Tedy:
  28 $$
  29 A_k(c) = \min (A_{k-1}(c), A_{k-1}(c-c_k) + h_k).
  30 $$
  31 Tímto zpùsobem v~èase $\O(C)$ spoèteme jednu mno¾inu, v~èase $\O(nC)$ pak v¹echny.
  32
  33 Podle $A_n$ snadno nalezneme maximální cenu mno¾iny, která se vejde do batohu. To bude
  34 nejvìt¹í~$c^*$, pro nì¾ je $A_n(c^*) < \infty$. Jeho nalezení nás stojí èas $\O(C)$.
  35
  36 A~jak zjistit, které pøedmìty do~nalezené mno¾iny patøí? Upravíme algoritmus,
  37 aby si pro ka¾dé $A_k(c)$ pamatoval $B_k(c)$, co¾ bude index posledního pøedmìtu,
  38 který jsme do~pøíslu¹né mno¾iny pøidali. Pro nalezené $c^*$ tedy bude $i=B_n(c^*)$
  39 poslední pøedmìt v~nalezené mno¾inì, $i'=B_{i-1}(c^*-c_i)$ ten pøedposlední
  40 a tak dále. Takto v~èase $\O(n)$ rekonstruujeme celou mno¾inu od~posledního
  41 prvku k~prvnímu.
  42
  43 Ukázali jsme tedy algoritmus s~èasovou slo¾itostí $\O(nC)$, který vyøe¹í
  44 problém batohu. Jeho slo¾itost není polynomem ve~velikosti vstupu ($C$~mu¾e být a¾ exponenciálnì
  45 velké vzhledem k~velikosti vstupu), ale pouze ve~velikosti èísel na~vstupu.
  46 Takovým algoritmùm se øíká {\I pseudopolynomiální.}
  47
  48 \s{Verze bez cen:} Na verzi s~cenami rovnými hmotnostem se dá pou¾ít
  49 i jiný algoritmus zalo¾ený na~dynamickém programování: poèítáme mno¾iny
  50 $Z_k$, obsahující v¹echny hmotnosti men¹í ne¾~$H$, kterých nabývá
  51 nìjaká podmno¾ina prvních~$k$ prvkù. Pøitom $Z_0=\{0\}$, $Z_k$
  52 spoèteme z~$Z_{k-1}$ a ze~$Z_n$ vyèteme výsledek. V¹echny tyto mno¾iny
  53 mají nejvý¹e $H$ prvkù, tak¾e celková èasová slo¾itost algoritmu je~$\O(nH)$.
  54
  55 \h{Aproximaèní schéma pro problém batohu}
  56
  57 \s{POZOR:} Verze algoritmu, kterou jsem øíkal na~pøedná¹ce, obsahovala jednu
  58 pomìrnì zásadní chybu, které jsem si nev¹iml: Verze se zaokrouhlováním dolù
  59 mohla produkovat nepøípustná (pøíli¹ tì¾ká) øe¹ení, verze se zaokrouhlováním nahoru pro zmìnu
  60 nìkdy spoèítala øe¹ení pøíli¹ daleká od~optima. Algoritmus lze opravit (budeme-li
  61 zvlá¹» zpracovávat lehké a tì¾ké pøedmìty), ale radìji budeme místo hmotností
  62 kvantovat ceny. Tak dojdeme k~následujícímu aproximaènímu algoritmu. --M.M.
  63
  64 Ji¾ víme, jak optimalizaèní verzi problému batohu vyøe¹it v~èase $\O(nC)$,
  65 pokud jsou hmotnosti i ceny na~vstupu pøirozená èísla a $C$ je souèet v¹ech cen.
  66 Jak si poradit, pokud je~$C$ obrovské? Kdybychom mìli ¹tìstí a v¹echny
  67 ceny byly dìlitelné nìjakým èíslem~$p$, mohli bychom je tímto èíslem
  68 vydìlit. Tím bychom dostali zadání s~men¹ími èísly, jeho¾ øe¹ením by byla
  69 stejná mno¾ina pøedmìtù jako u~zadání pùvodního.
  70
  71 Kdy¾ nám ¹tìstí pøát nebude, mù¾eme pøesto zkusit ceny vydìlit a výsledky
  72 nìjak zaokrouhlit. Øe¹ení nové úlohy pak sice nebude pøesnì odpovídat optimálnímu
  73 øe¹ení té pùvodní, ale kdy¾ nastavíme parametry správnì, bude alespoò jeho dobrou aproximací.
  74
  75 \s{Základní my¹lenka:}
  76
  77 Oznaèíme si $c_{max}$ maximum z~cen~$c_i$. Zvolíme si nìjaké pøirozené èíslo~$M$
  78 a zobrazíme interval cen $[0, c_{max}]$ na $[0,M]$.
  79 Jak jsme tím zkreslili výsledek? V¹imnìme si, ¾e efekt je stejný, jako kdybychom jednotlivé
  80 ceny zaokrouhlili na~násobky èísla $c_{max}/M$. Ka¾dé $c_i$ jsme tím
  81 zmìnili o~nejvý¹e $c_{max}/M$, celkovou cenu libovolné podmno¾iny pøedmìtù tedy
  82 nejvý¹e o~$n\cdot c_{max}/M$. Teï si je¹tì v¹imnìme, ¾e pokud ze~zadání odstraníme
  83 pøedmìty, které se samy nevejdou do~batohu, má optimální øe¹ení pùvodní úlohy cenu $OPT\ge c_{max}$,
  84 tak¾e chyba v~souètu je nejvý¹e $n\cdot OPT/M$. Má-li tato chyba být shora omezena
  85 $\varepsilon\cdot OPT$, musíme zvolit $M\ge n/\varepsilon$.
  86
  87 \s{Algoritmus:}
  88 \algo
  89 \:Odstraníme ze~vstupu v¹echny pøedmìty tì¾¹í ne¾~$H$.
  90 \:Spoèítáme $c_{max}=\max_i c_i$ a zvolíme $M=\lceil n/\varepsilon\rceil$.
  91 \:Kvantujeme ceny: $\hat{c}_i = \lfloor c_i \cdot M/c_{max} \rfloor$.
  92 \:Vyøe¹íme dynamickým programováním problém batohu pro upravené ceny $\hat{c}_1, \ldots, \hat{c}_n$
  93 a pùvodní hmotnosti i kapacitu batohu.
  94 \:Vybereme stejné pøedmìty, jaké pou¾ilo optimální øe¹ení kvantovaného zadání.
  95 \endalgo
  96
  97 \>Kroky 1--3 a 5 jistì zvládneme v~èase $\O(n)$. Krok~4 øe¹í problém batohu
  98 se souètem cen $\hat{C}\le nM \le n^2/\varepsilon$, co¾ stihne v~èase $\O(n\hat{C})=\O(n^3/\varepsilon)$.
  99 Zbývá dokázat, ¾e výsledek na¹eho algoritmu má opravdu relativní chybu nejvý¹e~$\varepsilon$.
 100
 101 Nejprve si rozmyslíme, jak dopadne optimální øe¹ení $OPT$ pùvodního zadání,
 102 kdy¾ ceny v~nìm pou¾itých pøedmìtù nakvantujeme (mno¾inu indexù tìchto pøedmìtù si oznaèíme~$Y$):
 103 $$
 104 \eqalign{
 105 \widehat{OPT} &= \sum_{i\in Y} \hat{c}_i =
 106 \sum_i \left\lfloor c_i\cdot {M\over c_{max}} \right\rfloor \ge
 107 \sum_i \left( c_i\cdot {M\over c_{max}} - 1 \right) \ge \cr
 108 &\ge
 109 \biggl(\sum_i c_i \cdot {M\over c_{max}}\biggr) - n =
 110 OPT \cdot {M\over c_{max}} - n.
 111 }
 112 $$
 113 Nyní naopak spoèítejme, jak dopadne øe¹ení~$Q$ nakvantovaného problému pøi pøepoètu
 114 na~pùvodní ceny (to je výsledek na¹eho algoritmu):
 115 $$
 116 \eqalign{
 117 ALG &= \sum_{i\in Q} c_i \ge
 118 \sum_i \hat{c}_i \cdot {c_{max}\over M} =
 119 \biggl(\sum_i \hat{c}_i\biggr) \cdot {c_{max}\over M} \ge^*
 120 \widehat{OPT} \cdot {c_{max}\over M}.
 121 }
 122 $$
 123 Nerovnost $\ge^*$ platí proto, ¾e $\sum_{i\in Q} \hat{c}_i$ je optimální øe¹ení
 124 kvantované úlohy, zatímco $\sum_{i\in Y} \hat{c}_i$ je nìjaké dal¹í øe¹ení té¾e úlohy,
 125 které nemù¾e být lep¹í. Teï u¾ staèí slo¾it obì nerovnosti a dosadit za~$M$:
 126 $$
 127 \eqalign{
 128 ALG &\ge \biggl( { OPT \cdot M\over c_{max}} - n\biggr) \cdot {c_{max}\over M} \ge
 129 OPT - {n\cdot c_{max}\over n / \varepsilon} \ge OPT - \varepsilon c_{max} \ge \cr
 130 &\ge OPT - \varepsilon OPT = (1-\varepsilon)\cdot OPT.
 131 }
 132 $$
 133 Algoritmus tedy v¾dy vydá øe¹ení, které je nejvý¹e $(1-\varepsilon)$-krát hor¹í ne¾ optimum,
 134 a~doká¾e to pro libovolné~$\varepsilon$ v~èase polynomiálním v~$n$. Takovému algoritmu øíkáme
 135 {\I polynomiální aproximaèní schéma} (jinak té¾ PTAS\foot{Polynomial-Time Approximation Scheme}).
 136 V~na¹em pøípadì je dokonce slo¾itost polynomiální i v~závislosti na~$1/\varepsilon$, tak¾e
 137 schéma je {\I plnì polynomiální} (øeèené té¾ FPTAS\foot{Fully Polynomial-Time Approximation Scheme}).
 138
 139 \bye