I396 - Aproximační a online algoritmy
ZS 1999
Zajišťuje: KAM
Vyučující: Jiří Sgall
Rozsah v ZS: 2/0 Zk
Rozsah v LS: ---
Třída: I
Anotace
Pro mnohé optimalizační problémy je obtížné navrhonout algoritmy, které
je vyřeší optimálně a zároveň rychle (např. pro NP-úplné problémy). V takovém
případě studujeme tzv. aproximační algoritmy, které pracují rychle, a najdou
řešení více či méně blízké optimálnímu řešení. Typický příklad je rozvrhování
úloh na několika počítačích. Je poměrně jednoduché nalézt algoritmus, který
vždy vrátí rozvrh nejvýše dvakrát delší než optimální. Použitím složitějších
metod je však možné efektivně nalézt i např. rozvrh jen o jedno procento
delší než optimální. Tzv. online algoritmy se studují v situaci, kdy není
předem znám celý vstup. Např. při rozvrhování je možné, že úlohy dostáváme
postupně, ale přidělit je jednotlivým počítačům musíme ihned.
Přednáška se zaměří na teoretické studium aproximačních a online algoritmů
pro různé problémy. Nebudeme se věnovat online algoritmům pro datové struktury
(těm je věnována přednáška I259 Datové struktury a online algoritmy V.
Majerecha).
Přednáška je určena především studentům vyšších ročníků, případně i
doktorandům. Práce na otevřených problémech v této oblasti může vést k
diplomové nebo i disertační práci. Přednášející v tomto oboru pracuje a
publikuje.
Předpoklady
Základní pojmy z teorie algoritmů (např. I025, I148, nebo I404)
Osnova
-
Základní pojmy, aproximační a kompetitivní poměr, polynomiální aproximační
schémata.
-
Různé modely rozvrhování a "bin packing", hladový algoritmus, další aproximační
a online algoritmy.
-
Kombinatorické problémy: nezávislé množiny, "set cover", minimální řez
atd.
-
Použití metod lineárního a semidefinitního programování v aproximačních
algoritmech.
-
Metody pro dokazování obtížnosti i přibližného řešení kombinatorických
problémů, tzv. PCP věta.
-
Online algoritmy pro paging (caching). Tzv. k-server problém.
-
Podle času a zájmu některé další oblasti: pohyb v neznámém prostředí, směrování
v sítích nebo finanční problémy.
Základní lit.
D.S. Hochbaum (editor): Approximation algorithms for NP-hard problems,
PWS publishing company, 1997.
A. Borodin, R. El-Yaniv: Online computation and competitive analysis.
Cambridge university press, 1998.
Doplň.popis
Přednáška se nekoná každý rok, předpokládám její opakování za 2-3 roky.
Úmluva bude v prvním týdnu semestru na KAM, v rámci hromadné úmluvy na
výběrové přednášky KAM. Kontakt: sgall@math.cas.cz,
http://www.math.cas.cz/~sgall/,
tel. 22090724.
Probraná témata
-
základní pojmy
-
aproximační a kompetitivní poměr, třídy aproximačních algoritmů, PTAS,
FPTAS
-
vztah NP-úplnosti a silné NP-úplnosti a existence aproximačních algoritmů
a schémat
-
modely pravděpodobnostních on-line algoritmů a jejich vztahy
-
metody
-
dynamické programování a zaokrouhlování
-
relaxace pomocí lineárního programování
-
zaokrouhlování, pravděpodobnostní zaokrouhlování
-
duální řešení LP a jeho použití
-
relaxace pomocí semidefinitního programování
-
derandomizace pomocí částečně nezávislých náhodných proměnných a metodou
podmíněných pravděpodobností
-
problém obchodního cestujícího
-
1.5 aproximační algoritmus
-
kombinatorické a grafové problémy
-
maximální klika a vrcholové pokrytí grafu
-
množinové pokrytí
-
hladový algoritmus
-
algoritmy založené na lineárním programování
-
maximální řez v grafu
-
0.878-aproximační algoritmus pomocí semidefinitního programování
-
problém ruksaku, rozvrhování a bin-packing
-
PTAS pro problém ruksaku a rozvrhování identických počítačů
-
"téměř" aproximační schéma pro bin-packing, first fit algoritmus
-
splnitelnost a její varianty
-
3/4-aproximační algoritmus pro MAX-SAT
-
problém půjčování lyží (ski rental)
-
optimální deterministický a pravděpodobnostní online algoritmus
-
paging a jeho varianty
-
k-kompetitivní deterministické algoritmy a dolní odhad
-
O(log k)-kompetitivní pravděpodobnostní algoritmy
-
paging s velikostí a cenou stránek
-
O(log k)-aproximační algoritmus pro speciální případ stejné ceny
všech stránek
-
k-server problém
-
dolní odhad k na kompetitivní poměr pro libovolné metrické prostory
-
definice work function, výpočet optimálního řešení dynamickým programováním
(off-line)
-
WFA (work function algoritmus), definice bez důkazů
-
optimální deterministický online algoritmus pro stromy
-
navigace
-
problém zdi, dolní odhad a deterministický O(n1/2)-kompetitivní
algoritmus
-
problém pokoje a navigace z bodu do bodu, O(n1/2)-kompetitivní
algoritmus
-
prohledávání přímky (cow path), optimální deterministický a pravděpodobnostní
online algoritmy
-
online rozvrhování na počítačích různých rychlostí
-
horní odhad pro deterministické a pravděpodobnostní algoritmy
-
dolní odhad 2 pro preemptivní rozvrhování