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数学代写|运筹学作业代写operational research代考|Vorausschauende Verfahren

Auch diese Verfahren weisen den einzelnen Variablen Werte zu. Allerdings wird nun in jedem Schritt abgeschätzt, welche Auswirkungen eine Variablenfixierung auf die nachfolgenden Schritte haben würde. Die erzielten heuristischen Lösungen sind oft schon recht gut, so dass ein nachfolgendes exaktes Verfahren oder eine Verbesserungsheuristik in der Regel schnell zum Ziel kommt. Jedoch ist der Rechenaufwand dieser Ansätze meistens deutlich höher als z.B. bei Greedy-Verfahren. Die Approximationsmethode von Vogel zur Bestimmung einer Startecke im Transportproblem ans Abschnitt $2.4$ stellt ein Reispiel fïr eine voransschanende Heuristik dar. Das folgende Beispiel zeigt eine vorausschauende Heuristik für das Traveling Salesman Problem.

Beispiel 6.3 (Verfahren des sukzessiven Einfügens für das Traveling Salesman Problem).

Das Verfahren des sukzessiven Einfügens baut die Rundreise schrittweise auf und prüft dabei in jedem Iterationsschritt, an welcher Stelle der bisherigen Rundreise die nächste Stadt eingefügt werden soll. In diesem Sinne wird vorausschauend die Auswirkung der Einfügeoperationen auf den Zielfunktionswert abgeschätzt. Der Ablauf in Algorithmus $6.3$ besitzt Komplexität $O\left(n^2\right)$.

Im Gegensatz zu Konstruktionsheuristiken setzen Verbesserungsheuristiken stets das Vorhandensein eines zulässigen Punktes voraus. Dieser kann z.B. in einem ersten Schritt mit einer Konstruktionsheuristik bestimmt worden sein. Ausgehend davon bestimmen sie eine Folge von zulässigen Punkten, mit dem Ziel, das Optimum möglichst gut zu approximieren. Alle der vorgestellten Verfahren versuchen, die Verbesserung aufgrund lokaler Veränderungen zu erzielen. Folgende Verbesserungsheuristiken werden behandelt:

  • Lokale Suchverfahren,
  • Metaheuristiken.

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Bei lokalen Suchverfahren (engl.: local search methods) wird die Folge von zulässigen Punkten $x_0, x_1 \ldots, x_n$ ausgehend von einem zulässigen Startpunkt durch Fortschreiten von einem Punkt $x_i$ zu einem Punkt $x_{i+1}$ aus dessen Nachbarschaft $N\left(x_i\right)$ bestimmt (s. Abb. 6.1). Das Verfahren endet, sobald ein vordefiniertes Abbruchkriterium eintritt, und die beste bis dahin gefundene Lösung wird ausgegeben.
Unter der (mathematischen) Nachbarschaft $N(x)$ eines zulässigen Punktes $x$ für ein Optimierungsproblem $P$ versteht man alle zulässigen Punkte von $P$, die durch die einmalige Anwendung einer bestimmten Transformationsvorschrift auf $x$ entstehen können. Somit wird der allgemeine Begriff der Nachbarschaft erst durch Spezifikation einer Transformationsvorschrift konkretisiert. Beispiele für Transformationsvorschriften eines zulässigen Punktes $x$ sind die Veränderung in genau einem Element (z.B. einer Koordinate), die Vertauschung von einzelnen Elementen oder die Verschiebung von einzelnen Elementen.

Wir betrachten das Rucksackproblem aus Beispiel $6.2$ mit dem zulässigen Punkt $x=(1,0,1,1,0)^{\top}$. Wendet man nun die Transformationsvorschrift „Veränderung an genau einer Stelle” an, so ergibt sich als Nachbarschaft von $x$ die Menge $N(x)=$ $\left{(0,0,1,1,0)^{\top},(1,0,0,1,0)^{\top},(1,0,1,0,0)^{\top},(1,0,1,1,1)^{\top}\right}$. Der unzulässige Punkt $(1,1,1,1,0)^{\top}$ gehört nicht zu $N(x)$.

Bezüglich der Untersuchungsreihenfolge der Nachbarpunkte aus $N(x)$ lassen sich stochastische von deterministischen Methoden unterscheiden: Bei stochastischen Methoden wird die Reihenfolge zufällig bestimmt, so dass mit derselben Startlösung bei wiederholter Ausführung des Verfahrens in der Regel unterschiedliche heuristische Lösungen erzeugt werden; deterministische Methoden hingegen legen die Reihenfolge systematisch fest und führen beim selben Ausgangspunkt immer zur gleichen heuristischen Lösung.

Zur Auswahl von Nachbarpunkten sind vor allem die First Fit-Strategie, die den ersten Punkt, der besser als der aktuelle Punkt ist, auswählt, und die Best FitStrategie, die erst alle Punkte der Nachbarschaft untersucht und dann den besten gefundenen Punkt auswählt, gebräuchlich.

Das Verfahren bricht ab, wenn ein bestimmtes Abbruchkriterium erfült ist. Dieses hängt stark vom verwendeten Verfahren ab. Bei reinen Verbesserungsverfahren bricht man ab, sobald in einer Nachbarschaft kein besserer Punkt gefunden wird.

Zwar wird die Lösung in einem lokalen Optimalpunkt bezüglich der gewählten Nachbarschaftsstruktur angenommen, jedoch kann dieser einen deutlich schlechteren Zielfunktionswert besitzen als das globale Optimum (s. Abb. 6.2). Deshalb werden in Implementierungen des lokalen Suchverfahrens zum Verlassen lokaler Optimalpunkte bisweilen auch Punkte zugelassen, die den Zielfunktionswert zwischenzeitlich verschlechtern. In solchen Fällen wird das Abbruchkriterium über andere Parameter geregelt (z.B. maximale Anzahl von untersuchten Lösungen).

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运筹学代考

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这些方法还为各个变量赋值。然而,现在在每个步骤中估计固定变量会对后续步骤产生什么影响。获得的启发式解决方案通常非常好,因此后续的精确过程或改进启发式通常可以快速实现其目标。然而,这些方法的计算工作量通常明显高于贪婪方法等。运输问题 ans 部分中确定起始角的 Vogel 近似方法2.4表示前瞻启发式的示例。以下示例显示旅行商问题的前瞻启发式.

例 6.3(旅行商问题的连续插入法)。

连续插入的方法逐步建立往返行程,并在每个迭代步骤中检查应该在前一个往返行程的哪个点插入下一个城市。从这个意义上说,插入操作对目标函数值的影响是预先估计的。算法中的过程6.3有复杂性欧(n2).

与构造启发式相反,改进启发式总是假定存在可行点。例如,这可以在第一步中使用构建启发式方法确定。基于此,他们确定了一系列允许点,目的是尽可能接近最佳值。由于局部变化,所有提出的方法都试图实现改进。涵盖以下改进启发式:

  • 本地搜索方法,
  • 元启发式。

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使用局部搜索方法,允许点的序列X0,X1…,Xn从一个点开始,从一个允许的起点开始X一世到一点X一世+1来自他的邻居否(X一世)确定(见图 6.1)。一旦出现预定义的终止标准,该过程就会结束,并输出到那时为止找到的最佳解决方案。
在(数学)邻域下否(X)允许点X对于优化问题P一个人理解所有允许的点P,这是由一次性应用特定转换规则产生的X可以出现。因此,邻域的一般概念只能通过指定转换规则来具体化。允许点的转换规则示例X是恰好一个元素(例如坐标)的变化,单个元素的互换或单个元素的移动。

我们以背包问题为例6.2与允许点X=(1,0,1,1,0)⊤. 如果现在应用变换规则“恰好在一个点发生变化”,则得到的邻域X数量否(X)= \left{(0,0,1,1,0)^{\top},(1,0,0,1,0)^{\top},(1,0,1,0,0)^{ \top},(1,0,1,1,1)^{\top}\right}\left{(0,0,1,1,0)^{\top},(1,0,0,1,0)^{\top},(1,0,1,0,0)^{ \top},(1,0,1,1,1)^{\top}\right}. 无效点(1,1,1,1,0)⊤不属于否(X).

关于相邻点的检查顺序否(X)随机方法可以与确定性方法区分开来:对于随机方法,顺序是随机确定的,因此当重复该方法时,通常会使用相同的初始解生成不同的启发式解;另一方面,确定性方法系统地确定顺序,并且总是从相同的起点得出相同的启发式解决方案。

选择第一个比当前点更好的点的首次拟合策略和首先检查邻域中的所有点然后选择找到的最佳点的最佳拟合策略通常用于选择邻近点。

当满足特定的终止条件时,该过程终止。这在很大程度上取决于所使用的方法。在纯改进方法的情况下,一旦在邻域中找不到更好的点,就会中断。

尽管假设解决方案位于关于所选邻域结构的局部最优点,但这可能具有比全局最优值更差的目标函数值(见图 6.2)。为此,在实现留下局部最优点的局部搜索方法时,有时也允许同时使目标函数值变差的点。在这种情况下,终止标准由其他参数控制(例如,检查的解决方案的最大数量)。

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