METODI DELLA RICERCA OPERATIVA

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1 Università degli Studi di Cagliari FACOLTA' DI INGEGNERIA CORSO DI METODI DELLA RICERCA OPERATIVA Dott.ing. Massimo Di Francesco i i Dott.ing. Maria Ilaria Lunesu (ilaria.lunesu@unica.it) ESERCITAZIONE N 7 1

2 Introduzione Vedremo alcuni algoritmi impiegati per la risoluzione di problemi di programmazione lineare a variabili intere (PLI): Metodi Branch-and-Bound Essi garantiscono l ottimalità lità della soluzione determinata t Sono algoritmi divide et impera, in quanto dividono ricorsivamente un problema in più sotto-problemi di semplice risoluzione e utilizzano queste soluzioni al fine di ottenere la soluzione del problema originario Metodi euristici Essi non determinano necessariamente la soluzione ottima, ma possono essere molto più efficienti dei metodi Branch-and-Bound 2 dal punto di vista computazionale

3 Alcune definizioni Sia dato il generico problema di ottimizzazione e sia il valore ottimo della funzione obiettivo del problema Si definisce rilassamento di un problema qualsiasi problema dove e. Il valore ottimo della funzione obiettivo di fornisce un limite inferiore al valore ottimo della funzione obiettivo di (P), cioè 3

4 Alcune definizioni Nel caso di problemi di massimo e il rilassamento fornisce un limite superiore al valore ottimo della funzione obiettivo di : Spesso i rilassamenti sono di più facile soluzione rispetto agli problemi originari a variabili intere, ovvero tali valutazioni inferiori o superiori possono essere ottenute molto più rapidamente rispetto al tempo richiesto per risolvere il problema originario Talvolta la soluzione di un rilassamento è anche ottima per Dato un problema di programmazione intera, si chiama rilassamento continuo il problema ottenuto da questo rimuovendo la condizione di interezza delle variabili 4

5 Branch-and-Bound Per introdurre l algoritmo di Branch-and-Bound, consideriamo il seguente problema a variabili binarie: L insieme delle soluzioni di questo problema può essere enumerato in un albero delle decisioni, in cui al livello i viene scelto il valore da assegnare alla i-esima variabile (presa in un determinato ordine) 5

6 Branch-and-Bound I cammini dalle foglie alla radice individuano d le attribuzioni dei valori 0 e 1 alle variabili e quindi tutte le soluzioni, non necessariamente ammissibili per il problema dato (ad esempio il cammino dalla radice alla foglia A individua una soluzione inammissibile, mentre il 6 cammino fino a B è una soluzione ammissibile)

7 Branch-and-Bound Nel Branch-and-Bound si costruisce e si esplora l albero delle decisioni, fino a che non sia garantito che la soluzione trovata tra i nodi foglia raggiunti sia la soluzione ottima del problema dato Poiché il numero di nodi dell albero delle decisioni cresce in modo esponenziale con la dimensione del problema, si cerca di visitare esplicitamente il minor numero possibile di nodi e riconoscere in anticipo quando, proseguendo il cammino oltre un certo nodo, si ottengono soluzioni inammissibili (ad esempio il sottoalbero di radice C nella figura precedente) si ottengono soluzioni peggiori della migliore soluzione ammissibile già ottenuta per il problema originario 7 In questi casi interi sottoalberi possono essere scartati o, in altre parole, visitati implicitamente (da qui il nome di algoritmi di enumerazione implicita)

8 Branch-and-Bound Per determinare se un certo sottoalbero può essere scartato, si risolvono dei rilassamenti del problema originale, ognuno associato ad un nodo dell albero delle decisioni Come costruire l albero delle decisioni? Quali sono i rilassamenti del problema di PLI che si vuole risolvere? 8

9 Branch-and-Bound Sia dato il seguente problema di PLI e si risolva il suo rilassamento continuo min c T x Ax = b x 0,intero Se la soluzione ottima del rilassamento continuo è intera, essa coincide con la soluzione ottima del problema originario Se non è intera, si seleziona secondo una determinata regola, una variabile con valore non intero nella soluzione ottima di e si crea un problema, aggiungendo il vincolo ai vincoli di si crea un problema, aggiungendo il vincolo ai vincoli di 9

10 Branch-and-Bound CASO 1. Le soluzioni di e sono intere, si prende quella di valore minimo e si arresta l algoritmo CASO 2. Una soluzione è intera - ad esempio - e l altra no: Se o è inammissibile, la soluzione di è ottima per Altrimenti, se la soluzione di non è intera, una variabile con valore non intero nella soluzione ottima di si crea un problema, aggiungendo il vincolo ai vincoli di si crea un problema, aggiungendo il vincolo ai vincoli di CASO 3. Se le soluzioni di e non sono intere, si 10 generano due sottoproblemi da ognuno di essi e così via

11 Branch-and-Bound Dato un problema di minimo, occorre potare l albero delle decisioni in corrispondenza di un dato nodo, se La soluzione del corrispondente rilassamento è inammissibile La soluzione del corrispondente rilassamento non può generare e una soluzione ammissibile per che sia minore della migliore soluzione ammissibile determinata fino a quel momento, ovvero un nuovo limite superiore rispetto all ottimo di La soluzione del corrispondente rilassamento è intera ed è migliore dell attuale limite superiore (nel qual caso essa diventa il nuovo limite superiore) 11 L algoritmo si arresta quando si sono visitati tutti i nodi disponibili dell albero delle decisioni

12 Branch-and-Bound Dato un problema di massimo, occorre potare l albero delle decisioni in corrispondenza di un dato nodo, se La soluzione del corrispondente rilassamento è inammissibile La soluzione del corrispondente rilassamento non può generare e una soluzione ammissibile per che sia maggiore della migliore soluzione ammissibile determinata fino a quel momento, cioè un nuovo limite inferiore rispetto all ottimo di La soluzione del corrispondente rilassamento è intera ed è migliore dell attuale limite inferiore (nel qual caso essa diventa il nuovo limite inferiore) 12 L algoritmo si arresta quando si sono visitati tutti i nodi disponibili dell albero delle decisioni

13 Branch-and-Bound: un esempio Esempio. Sia dato ad esempio il seguente problema di PLI: st s.t

14 Branch-and-Bound: un esempio Risolviamo graficamente il suo rilassamento continuo : 1 Ottimo (1.25, 3.75) pari a

15 Branch-and-Bound: un esempio Questa soluzione rappresenta un limite superiore (o upper bound) al valore ottimo dell originario problema di PLI Poiché la soluzione ottima di è inammissibile per, selezioniamo una variabile con valore non intero nella soluzione ottima e generiamo i sottoproblemi e Esistono molte regole per la scelta della variabile. Trascurando i criteri di scelta, in questo esempio si fissa la variabile di indice più piccolo 15

16 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Ottimo (1, 10/3) pari a 11 16

17 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Ottimo (2, 3.214) pari a

18 Branch-and-Bound: un esempio P 0 P 1 La soluzione ottima di rappresenta il limite superiore al valore ottimo dell originario problema di PLI a questa iterazione Poiché queste soluzioni sono ancora inammissibili per il problema originario, si seleziona uno dei due problemi - ad esempio - e una variabile con valore non intero nella soluzione ottima del problema considerato A partire dal problema, si generano ora i problemi e P 2 18

19 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Ottimo (2.3, 3) pari a

20 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Soluzione inammissibile 20

21 Branch-and-Bound: un esempio Al momento dobbiamo ancora esplorare i nodi dell albero relativi ai problemi e P 0 P 1 P 2 P 3 P 4 21 Selezioniamo ad esempio il problema e generiamo i problemi e

22 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Ottimo (2, 3) pari a 11. E questa una soluzione ammissibile del problema originario, ovvero un limite inferiore sull ottimo di

23 Branch-and-Bound: un esempio Sottoproblema Ottimo (3, 2.5) pari a

24 Branch-and-Bound: un esempio Avendo ottenuto al nodo una soluzione ammissibile per pari a 11, non vi è alcuna necessità di generare due ulteriori problemi a partire da e, perché non si otterrebbero soluzioni ammissibili per migliori rispetto a quella ottenuta P 0 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 24

25 Branch-and-Bound: un esempio Verifichiamo con Lindo che la soluzione ottenuta sia quella ottima per l originario problema OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) VARIABLE VALUE REDUCED COST X X NO. ITERATIONS= 6 BRANCHES= 0 DETERM.= 1.000E 0 25

26 Conclusioni sul Branch-and-Bound L efficienza degli algoritmi Branch-and-Bound dipende da diversi fattori, tra cui: Il metodo con cui è definito l albero delle decisioni Il metodo utilizzato per risolvere e i rilassamenti Le regole per la selezione delle variabili da fissare Le regole per la visita it dell albero lb Anche utilizzando le migliori strategie per gli aspetti elencati, non si può mai escludere di dover esaminare una frazione consistente dei nodi dell albero delle decisioni 26

27 Algoritmi euristici Numerosi problemi di ottimizzazione a variabili intere sono difficili, ovvero non si dispone di tecniche in grado di determinare in modo efficiente la soluzione ottima In molti problemi diventa allora necessario sviluppare algoritmi i in grado di fornire una buona soluzione ammissibile, senza garantirne l ottimalità Si dice algoritmo euristico per un dato problema un algoritmo che determini una soluzione non necessariamente ottima del problema Un algoritmo in grado di determinare la soluzione ottima di viene detto esatto Vedremo ora alcuni esempi di algoritmi euristici di tipo greedy 27

28 Algoritmi greedy Gli algoritmi greedy (voraci) determinano la soluzione di un problema di ottimizzazione attraverso una sequenza di decisioni localmente ottime, senza mai modificare le decisioni prese Questi algoritmi sono di facile implementazione e notevole efficienza computazionale, ma in generale non garantiscono l ottimalità della soluzione trovata, ed a volte neppure la sua ammissibilità 28

29 Algoritmo greedy per il problema dello zaino Questo algoritmo costruisce una soluzione inserendo per primi nello zaino gli oggetti più promettenti, cioè quelli che hanno un maggior beneficio per unità di peso L algoritmo inizializza iali a l insieme degli oggetti selezionati come l insieme vuoto e poi scorre la lista degli oggetti in ordine di beneficio unitario non crescente L oggetto di volta in volta selezionato viene accettato se la capacità residua dello zaino è sufficiente, altrimenti viene scartato e si passa all oggetto successivo nell ordinamento L algoritmo termina quando tutti gli oggetti sono stati esaminati o la capacità residua dello zaino diventa nulla 29

30 Algoritmo greedy per il problema dello zaino Sia data la seguente istanza del problema dello zaino: Implementare il precedente algoritmo greedy e verificare con Lindo se la soluzione ottenuta è ottima oppure no L algoritmo greedy produce la soluzione con f.o. 14 e peso totale pari a 7. La soluzione ottima è con f.o. 15epesototale8 In conclusione, l algoritmo descritto non garantisce l ottimalità 30

31 Algoritmo di Kruskal per il problema dell albero ricoprente di minimo costo Definizione: Dato un grafo G(N,A) con N =n, un grafo G*(N*,A*) è un sottografo di G=(N,A) se A* è contenuto in A e N* contiene tutti i nodi estremi degli archi di A* L algoritmo di Kruskal è una tecnica greedy che costruisce una soluzione, inserendo gli archi uno alla volta in ordine di costo non decrescente e verificando ogni volta che il sottografo corrispondente sia privo di cicli L algoritmo inizializza linsieme l insieme degli archi appartenenti all alberoalbero l insieme vuoto e poi scorre la lista degli archi in ordine di costo non decrescente 31

32 Algoritmo di Kruskal per il problema dell albero ricoprente di minimo costo L arco (i,j) di volta in volta selezionato viene accettato se il sottografo avente tutti gli archi in è privo di cicli, altrimenti viene scartato e si passa all arco successivo nell ordinamento L algoritmo termina quando contiene esattamente n-1 archi A differenza del caso precente, si può dimostrare che l algoritmo l di Kruskal fornisce delle soluzioni esatte 32

33 Algoritmo Nearest Neighbour per il problema del commesso viaggiatore Questo algoritmo greedy costruisce una soluzione scegliendo ad ogni passo come prossima tappa la località più vicina a quella in cui il commesso viaggiatore si trova attualmente L algoritmo inizializza iali a l insieme P degli archi appartenenti al cammino come l insieme vuoto e definisce come nodo corrente il nodo iniziale Ad ogni iterazione, si esaminano tutti gli archi che uniscono il nodo corrente a nodi che non sono ancora toccati dal cammino parziale P Tra tali archi si seleziona larco l arco (i,j) di costo minimo, lo si aggiunge a P e si definisce j come nodo corrente 33

34 Algoritmo Nearest Neighbour per il problema del commesso viaggiatore L algoritmo termina quando tutti i nodi sono toccati da P, inserendo larco l arco di ritorno dall ultimo nodo visitato al nodo iniziale Sai data la seguente istanza di TSP simmetrico: Implementare l algoritmo Nearest Neighbour, prendendo come nodo iniziale quello di indice 1 Verificare con Lindo se la soluzione ottenuta è quella ottima 34

35 Algoritmo Nearest Neighbour per il problema del commesso viaggiatore L algoritmo Nearest Neighbour, partendo dal nodo 1, produce il ciclo fo=12 f.o.=12 Mentre la soluzione ottima è f.o.=11 Anche questo algoritmo greedy non è esatto 35