Перебирання варіантів в програмуванні, Детальна інформація

end

За цим алгоритмом завдання (12, 8, 7, 5, 4) розподіляються як (12, 8+4, 7+5). Очевидно, що краще не може бути.

Проте розподіл завдань за цим алгоритмом не завжди є найкращим. Наприклад, завдання (12, 8, 7, 5, 4, 2) розподіляються за ним як (12+2, 8+4, 7+5) з вартістю 14, хоча є кращий розподіл (12, 8+5, 7+4+2) з вартістю 13.

Правило "передати чергове завдання до найменш завантаженого процесора", яким ми керувалися при розподілі завдань, є прикладом евристики. Взагалі, значенням цього слова є "мистецтво відшукання істини", а в інформатиці евристика – це правило, метод або прийом, призначений для підвищення ефективності пошуку розв'язку задачі [Сл].

Алгоритм, побудований на основі застосування евристики, називається евристичним. Як правило, евристичні алгоритми дозволяють швидко побудувати розв'язок задачі, але не завжди гарантують, що він дійсно буде найкращим.

Приклад 19.1. Розглянемо ще одну задачу та дві евристики для неї. Нехай, як і раніше, задано упорядкований за незростанням список часів виконання завдань T1, T2, … , Tn, але кількість процесорів не фіксовано. Замість цього задано час T0, і треба визначити найменшу кількість процесорів, яка забезпечує виконання всіх завдань у межах T0. Зрозуміло, що T0\xF0B3 T1.

Спочатку переформулюємо цю задачу в інших термінах. Час виконання завдання можна розглядати як об'єм предмету, а час T0 – як об'єм ящиків, по яких розподіляються предмети (форма ящиків та предметів неважлива). Отже, треба обчислити найменшу кількість ящиків, необхідних для розподілу всіх предметів. Тепер сформулюємо дві евристики.

Е1. "Перший прийнятний". Перший предмет кладемо в перший ящик. Другий також, якщо він там уміщається. Якщо не уміщається, то кладемо його в другий ящик. Взагалі, черговий предмет кладемо в ящик із найменшим номером, в якому він уміщається.

Е2. "Найкращий прийнятний". Черговий предмет кладеться в той ящик, у якому залишається найменший ще допустимий незайнятий об'єм. Якщо таких ящиків кілька, то з них вибираємо ящик із найменшим номером.

Запис відповідних евристичних алгоритмів залишаємо вправою.

5. Застосування принципу оптимальності

Знайомство з принципом оптимальності почнемо з розв'язання задачі.

Приклад 2. Нехай паперовий прямокутник складено з клітин – m по вертикалі та n по горизонталі. У кожній клітині записано натуральне число. Уявімо, що з прямокутника зробили вертикальний циліндр, з'єднавши першу та останню вертикалі. Ми можемо рухатися по клітинах циліндра та підраховувати суму чисел у них. Рух починається з будь-якої клітини першого кільця. Далі, якщо ми перебуваємо в якійсь клітині, то можемо перейти на наступне кільце в одну з тих трьох клітин, що мають спільні точки з поточною. Рух закінчується на останньому, m-му кільці клітин. Треба обчислити найбільшу суму, яку можна набрати на одному з можливих шляхів довжини m.

Якщо m=1, то достатньо вибрати клітину з найбільшим числом. Нехай m>1. Занумеруємо клітини кожного кільця числами від 0 до n-1. Позначимо через Cki число, записане в клітині з номером i у кільці k, а через Ski – найбільшу суму, яку можна набрати на шляху, що веде в цю клітину. Очевидно, що S1i =C1i. Для початку обчислимо для кожної клітини другого кільця найбільшу суму S2i на шляху довжини 2. За умовою задачі очевидно, що

S2i=C2i+max{S1, i-1, S1i, S1, i+1} за i=1, … , n-2,

S20=C20+max{S1, n-1, S10, S11}, S2,n-1=C2, n-1+max{S1, n-2, S1, n-1, S10}.

За цими сумами можна аналогічно підрахувати суми для клітин третього кільця. Так само при переході до четвертого кільця достатньо знати лише найбільші суми для клітин третього кільця тощо. Діставши суми для клітин останнього кільця, вибираємо найбільшу з них, і задачу розв'язано.

Уточнення алгоритму залишаємо вправою. Скажемо лише, що суми Ski, k=2, … , m, i=0, … , n-1, обчислюються за єдиною формулою

Ski=Cki+max{Sk-1, (i-1+n) mod n, Sk-1, i, Sk-1, (i+1) mod n}.

Оцінимо складність наведеного алгоритму. Очевидно, що при переході на наступне кільце обчислюються n сум за сталу кількість дій кожна. Таких переходів відбувається m-1, тому загальна кількість дій оцінюється як O(nm).\xF0E7

У наведених обчисленнях сум ми керувалися правилом: при переході на наступне кільце неважливо, якими були шляхи до клітин попереднього кільця. Аби вони давали найбільші суми, можливі для їх кінцевих клітин. Ішими словами, вибір шляхів від клітин попереднього кільця в клітини наступного не залежить від того, як саме ми вибирали клітини раніше.

Наведене правило є окремим конкретним випадком принципу оптимальності, одного з головних у теорії динамічного програмування. Її автор, Р.Беллман, сформулював цей принцип так:

"Оптимальна поведінка має таку властивість, що, якими б не були початковий стан і рішення в початковий момент, наступні рішення повинні складати оптимальну поведінку відносно стану, який одержується в результаті першого рішення."

Обсяг книжки не дозволяє викладати тут теорію динамічного програмування. Вона велика й серйозна. Наведемо натомість ще один приклад застосування принципу оптимальності.

Приклад 3. Розглянемо обчислення добутку n матриць

A = A1 \xF0B4 A2 \xF0B4 … \xF0B4 An,

де кожна Ai – матриця з si-1 рядками та si стовпцями. Як відомо, операція множення матриць є асоціативною, і результат не залежить від порядку її застосування. Але від нього залежить кількість множень їх елементів.

За традиційним алгоритмом множення матриць розмірами a\xF0B4 b та b\xF0B4 c відбувається abc множень їх елементів. Наприклад, множення матриць A1\xF0B4 A2\xF0B4 A3 розмірами 100\xF0B4 1, 1\xF0B4 100, 100\xF0B4 1 відповідно у порядку (A1\xF0B4 A2)\xF0B4 A3 вимагає 100\xF0D7 1\xF0D7 100+100\xF0D7 100\xF0D7 1=20000 множень, тоді як у порядку A1\xF0B4 (A2\xF0B4 A3) – лише 1\xF0D7 100\xF0D7 1+100\xF0D7 1\xF0D7 1=200, тобто в 100 разів менше.

Отже, за послідовністю розмірів матриць s0, s1, s2, … , sn треба обчислити найменшу кількість множень їх елементів, необхідних для обчислення добутку матриць A = A1 \xF0B4 A2 \xF0B4 … \xF0B4 An.

Очевидно, що при обчисленні добутку останнім виконується одне з множень, тобто A=(A1\xF0B4 …\xF0B4 Ai)\xF0B4 (Ai+1\xF0B4 …\xF0B4 An), де 1\xF0A3 i\xF0A3 n-1. Якщо добутки A1\xF0B4 …\xF0B4 Ai та Ai+1\xF0B4 …\xF0B4 An обчислено, то виконання останнього множення вимагає s0\xF0D7 si\xF0D7 sn множень. Позначимо mik мінімальну кількість множень, необхідних для обчислення Ai\xF0B4 Ai+1\xF0B4 …\xF0B4 Ak за i