K-opt
K-opt, algorytm k-optymalny – algorytm lokalnej optymalizacji wykorzystywany przy rozwiązywaniu problemu komiwojażera. Algorytm ten nie służy do samego wyznaczania trasy, a jedynie do ulepszania jej. Najprostszą wersją tego algorytmu jest algorytm 2-optymalny.
Działanie algorytmu
Algorytm polega na usuwaniu z cyklu k krawędzi i zastępowaniu ich innymi krawędziami tak, aby utworzyć inny prawidłowy cykl. Jeśli osiągnięte w ten sposób rozwiązanie jest lepsze od dotychczas znalezionego, zapamiętujemy je. Za każdym razem modyfikujemy cykl początkowy (nie rozwiązanie z poprzedniego kroku).
Usunięcie z cyklu k krawędzi sprawia, że cykl zostaje podzielony na k fragmentów. Należy sprawdzić wszystkie możliwości połączenia tych fragmentów w całość. Taki krok algorytmu należy powtórzyć dla każdej k-elementowej grupy krawędzi.
Algorytm można wykonywać kilkakrotnie, aż do momentu, w którym żadna modyfikacja nie spowoduje skrócenia trasy. W ten sposób osiągnięte zostanie minimum lokalne.
Złożoność obliczeniowa
Załóżmy, że mamy cykl liczący n krawędzi. Jeśli chcemy usunąć z niego k krawędzi, to możemy uczynić to na n!/(k!(n-k)!) sposobów (kombinacja z n po k). Dla każdej kombinacji musimy sprawdzić wszystkie możliwości połączenia fragmentów cyklu w inny sposób. Fragmenty te możemy ustawić w różnej kolejności na (k-1)! sposobów. Dodatkowo każdy fragment można odwrócić, czyli wartość tę musimy pomnożyć przez 2k-1. Jest to oszacowanie z pewnym nadmiarem – jeśli dany fragment jest jednoelementowy, to nie trzeba go odwracać (im większe k, tym więcej będzie takich elementów, zatem dla dużych k czynnik ten będzie zanikał).
Podsumowując, mamy do sprawdzenia maksymalnie n!2k-1/(k(n-k)!) wariantów. Jest to złożoność rzędu O(nk), przy czym nawet dla dużych k złożoność nie przekroczy n!.
Biorąc pod uwagę, że złożoność algorytmu w zależności od k jest wykładnicza, w praktyce używa się tylko niewielkich wartości k, zazwyczaj 2 lub 3. Dla k=n wykonanie algorytmu byłoby tożsame ze sprawdzeniem wszystkich możliwych rozwiązań problemu komiwojażera.
Liczba głosów: 6.
Dodano: 17 czerwca 2017 15:20, ostatnia edycja: 17 czerwca 2017 16:08.
Zobacz też
Algorytm Kruskala – algorytm wyznaczający minimalne drzewo rozpinające. Algorytm ten wykorzystuje strategię zachłanną, zawsze zwraca rozwiązanie optymalne.
Programowanie dynamiczne – technika projektowania algorytmów polegająca na rozwiązywaniu podproblemów i zapamiętywaniu ich wyników. W technice tej, podobnie jak w metodzie dziel i zwyciężaj, problem dzielony jest na mniejsze podproblemy. Wyniki rozwiązywania podproblemów są jednak zapisywane w tabeli, dzięki czemu w przypadku natrafienia na ten sam podproblem nie trzeba go ponownie rozwiązywać.
Wykorzystując programowanie dynamiczne można zastosować metodę zstępującą z zapamiętywaniem lub metodę wstępującą.
- Metoda zstępująca z zapamiętywaniem polega na rekurencyjnym wywoływaniu funkcji z zapamiętywaniem wyników. Metoda ta jest podobna do metody dziel i zwyciężaj – różni się od niej tym, że jeśli rozwiązanie danego problemu jest już w tabeli z wynikami, to należy je po prostu stamtąd odczytać.
- Metoda wstępująca polega na rozwiązywaniu wszystkich możliwych podproblemów, zaczynając od tych o najmniejszym rozmiarze. Wówczas w momencie rozwiązywania podproblemu na pewno są już dostępne rozwiązania jego podproblemów. W tym podejściu nie zużywa się pamięci na rekurencyjne wywołania funkcji. Może się jednak okazać, że część podproblemów została rozwiązana nadmiarowo (nie były one potrzebne do rozwiązania głównego problemu).
Algorytm Johnsona – algorytm służący do wyznaczania najkrótszych ścieżek pomiędzy każdą parą wierzchołków w grafie. Algorytm wykorzystuje algorytm Dijkstry i algorytm Bellmana-Forda. Dopuszcza krawędzie o ujemnych wagach, o ile nie tworzą ujemnych cykli.
Złożoność czasowa algorytmu (jeśli algorytm Dijkstry zostanie zaimplementowany z wykorzystaniem kopca Fibonacciego) to O(n2log n + en), gdzie n jest liczbą wierzchołków, a e jest liczbą krawędzi. Dla grafów rzadkich (ze stosunkowo małą liczbą krawędzi) jest to złożoność lepsza, niż złożoność algorytmu Floyda-Warshalla.