算法设计与_第6章_分支限界法
第六章 分支限界法.ppt

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单源最短路径问题
1. 问题描述
下面以一个例子来说明单源最短路径问题:在下 图所给的有向图G中,每一边都有一个非负边权。要 求图G的从源顶点s到目标顶点t之间的最短路径。
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单源最短路径问题
1. 问题描述
下图是用优先队列式分支限界法解有向图G的 单源最短路径问题产生的解空间树。其中,每一个结 点旁边的数字表示该结点所对应的当前路长。
// 取下一扩展结点
i++;}
// 进入下一层
}
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装载问题
3. 算法的改进
结点的左子树表示将此集装箱装上船,右子树 表示不将此集装箱装上船。设bestw是当前最优解; ew是当前扩展结点所相应的重量;r是剩余集装箱 的重量。则当ew+rbestw时,可将其右子树剪去, 因为此时若要船装最多集装箱,就应该把此箱装 上船。
(2)回溯求解TSP也是盲目的(虽有目标函数,也 只有找到一个可行解后才有意义)
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解空间树的动态搜索
分支限界法首先确定一个合理的限界函数,并根据限 界函数确定目标函数的界[down, up]; 然后按照广度优先策略遍历问题的解空间树,在某一 分支上,依次搜索该结点的所有孩子结点,分别估算 这些孩子结点的目标函数的可能取值(对最小化问题, 估算结点的down,对最大化问题,估算结点的up)。 如果某孩子结点的目标函数值超出目标函数的界,则 将其丢弃(从此结点生成的解不会比目前已得的更 好),否则入待处理表。
A->E->Q->M
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单源最短路径问题
Dijakstra算法和分支限法在解决该问题的异同:
优先队列式分支限界法的搜索方式是根据活结点的优先级确 定下一个扩展结点。结点的优先级常用一个与该结点有关的 数值p来表示。最大优先队列规定p值较大的结点点的优先级 较高。在算法实现时通常用一个最大堆来实现最大优先队列, 体现最大效益优先的原则。类似地,最小优先队列规定p值 较小的结点的优先级较高。在算法实现时,常用一个最小堆 来实现,体现最小优先的原则。采用优先队列式分支定界算 法解决具体问题时,应根据问题的特点选用最大优先或最小 优先队列,确定各个结点点的p值。
算法分析与设计分支限界法

算法分析与设计分支限界法分支限界法是一种常用的优化算法,它通过剪枝和分支的方式在空间中找到最优解。
在算法设计与分析中,分支限界法在求解组合优化问题和图论问题中有广泛应用。
分支限界法的基本思想是将问题划分为一个个子问题,并对每个子问题进行求解,同时通过剪枝操作减少空间。
算法从一个初始状态开始,通过扩展子节点来生成树。
在每个节点上,先判断该节点是否需要剪枝操作。
如果需要剪枝,则舍弃该节点及其子节点;如果不需要剪枝,则继续扩展该节点为新的可能解。
通过不断扩展和剪枝操作,最终找到最优解。
分支限界法的核心是选择一个合适的策略来确定节点的扩展顺序。
常用的策略包括优先级队列、最小堆、最大堆等。
这些策略可以根据问题的性质和特点来选择,以保证效率。
同时,剪枝操作也是分支限界法中关键的一环。
剪枝操作有多种方式,如上界和下界剪枝、可行剪枝、标杆剪枝等。
通过剪枝操作,可以减少空间,提高算法的效率。
分支限界法的时间复杂度通常是指数级别的,因为每个节点需要根据策略进行扩展,并进行剪枝操作。
然而,通过合理选择策略和剪枝操作,可以显著减少空间,降低时间复杂度。
此外,分支限界法还可以通过并行计算等技术进一步提高效率。
分支限界法在求解组合优化问题中有广泛应用。
组合优化问题是在有限的资源条件下,通过组合和选择来达到最优解的问题。
例如,旅行商问题、背包问题等都是经典的组合优化问题,而分支限界法可以在有限的时间内找到最优解。
在图论问题中,分支限界法也有重要的应用。
例如,最短路径问题、图着色问题等都可以通过分支限界法求解。
总之,分支限界法是一种基于和剪枝的优化算法,通过合理选择策略和剪枝操作,在有限的时间内找到最优解。
该算法在组合优化问题和图论问题中有广泛应用,可以有效提高问题求解的效率。
在实际应用中,可以根据问题性质和特点选择合适的策略和剪枝操作,以达到最佳的求解效果。
算法设计与分析(第6章 分支限界法)

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两种方法的搜索方式比较:
回溯法:深度优先
分支限界法:广度优先或最小费用优先
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分支限界法的搜索策略:
在扩展节点处,先生成其所有的儿子节点(分支的过 程),在从当前的活节点表中选择下一个扩展节点。为了有 效选择下一个扩展节点,以加速搜索进程,在每一个活节点 处,计算一个函数值(限界的过程),并根据这些已计算出 的函数值,从当前活节点表中选择一个最有利的活节点作为 扩展节点,使得搜索向解空间树上有最优解的分支进行,以 尽快找出一个最优解。
第六章 分支限界法 Branch and Bound
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分支限界法也是一种在问题解空间上进行尝试搜索算法。 它类似于回溯法,但分支限界法和回溯法的求解目标不同。 回溯法的求解目标是找出满足约束条件的所有解,而分支限 界法的求解目标则是找出满足约束条件的一个解,或者是在 满足约束条件的解中找出使得某一目标函数值达到某种意义 下的最优解。
优先队列: (1)最大优先队列:数值大则优先级高 实现方式:最大堆 (2)最小优先队列:数值小则优先级高 实现方式:最小堆
算法设计与分析 分支限界

…
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纲要
一、分支限界的基本思想
二、背包问题
三、P和NP
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问题定义
0-1背包问题
给定n个物品,商品i有两个属性i 和i ,分别代表重量和价格,
背包所承受的物品重量为W
0-1背包问题的目的是要选择一个物品的子集,使其总重量≤W,而价值最大。
解空间
假设解可以有向量( , ,…, )表示, ∈{0,1}, =1表示物品i被放进
(成为死节点),把剩下来的节点加到活节点的表中,然后,从这个
表中选一个节点作为下一个扩展节点。
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分支限界法
从活节点的表中选一个节点并扩展它。这个扩展操作持续到找到解或这
个表为空为止。
选择下一个扩展节点的方法∶
1)先进先出(FIFO)
这个方法是按节点放进表中的次序从活节点表中选择节点。这个活节点
表可被看作一个队列。使用广度优先来搜索这个棵树。
在这个节点上我们得到的下界大于或等于上界,那么就没有必要在扩
展这个节点既不需在延伸这个分支。
·对于最大化问题规则正好相反:一旦上界小于或等于先前确定的下界,
那么就剪掉这个枝。
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分支限界法
·首先,分支限界是对最优化问题可行解进行剪枝的一个方法。
·将搜索集中在有希望得到解的分支上。也就是说,在基于上下界和可
时,活节点表可用一个最大堆来表示。下一个扩展节点为最大收益的节点。
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解空间树
扩展节点
死节点
活节点
success
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分支限界法
使用分支限界法至少需要注意以下几点:
1.怎么样计算上界,极大值问题;
第6章 分支限界法

6.3 装载问题
1. 问题描述
• 有一批共个集装箱要装上 2 艘载重量分别为 C1 和C2的轮船,其中集装箱i的重量为wi,且
w
i 1
n
i
c1 c2
• 装载问题要求确定是否有一个合理的装载方案 可将这个集装箱装上这2艘轮船。如果有,找出 一种装载方案。 • 如果一个给定装载问题有解,则采用装载策略
最短路径问题关键部分算法
while (true){ // 搜索问题的解空间 for (int j=1;j<=n;j++) if(c[E.i][j] <max && E.length+cE.i][j] < dist[j]) { // 顶点i到顶点j可达,且满足控制约束 dist[j]=E.length+c[E.i][j]; //修正数值
bestx[j] = (bestE.LChild) ? 1 : 0; bestE = bestE.parent; }
学习要点
理解分支限界法的剪枝搜索策略 掌握分支限界法的算法框架,会描述队列变化
(1)队列式(FIFO)分支限界法
(2)优先队列式分支限界法 :会确定优先级
通过应用范例学习分支限界法的设计策略
掌握两类例子每类2个例子:子集树、排列树
分支限界法与回溯法
(1)求解目标:基本相同 回溯法:通过回溯找出满足约束条件的所有解或最 优解 分支限界法:找出满足约束条件的一个解,或是在 满足约束条件的解中找出在某种意义下的最优解 (2)搜索方式:不同
3. 约束条件 1)显式约束:对分量xi的取值限定。
2)隐式约束:为满足问题的解而对不同分量之 间施加的约束。 4. 解空间:对于问题的一个实例,解向量满足显式 约束条件的所有多元组,构成了该实例的一个解空间。
第六部分 分支限界法

单源最短路经
• 有向图G中,每一边都有一个非负边权。求 图G的从源顶点s到目标顶点t之间的最短路 径。
2
9
12
14>8 9>8
5>3
12>4
10>7
0
3
4
7
8>7
8
4
5
6>5
6
• 剪枝:结点间的控制关系。从s出发,经过两条不同路径 到达同一顶点,这两条路径相应于解空间树的2个不同的 结点A和B,如果结点A所相应的路长小于结点B所相应的路 长,则可以将结点B为根的子树剪去,称结点A控制了结点 B。 • 优先队列中结点的优先级:结点所对应的当前路长。
• 在使用分支限界法解具体问题时,可以采 用下面两种典型方式实现活结点表
– 队列式分支限界(先进先出) – 优先队列式分支限界
1 1
2
3
4
2
3
4
队列式: 活结点表L=(2,3,4)
优先队列式: 活结点表L=(2,3,4按限界函数值确定 优先级),即哪个分支能够花最小 代价 E.length c[E.i][j] dist[j]是否更新?
j
i
j
最大团问题
• 给定一个无向图G=(V,E)。如果U包含于V,且对任 意u,v属于U有(u,v)属于E,则称U是G的一个完全子 图。G的完全子图U是G的一个团当且仅当U不包含 在G的更大的完全子图中。G的最大团是指G中所 含顶点数最多的团。
• (当前扩展结点)顶点数上界=已确定的顶点数+未确定的顶点 数的上界
算法分析与设计分枝限界法ppt课件

FIFO分枝-限界法 例7.1(4-皇后问题)
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4-皇后问题— 回溯 vs FIFO分枝-限界
回溯 Win!
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LC-检索(Least Cost)
分枝-限界失败的原因
– 对下一个E-结点的选择规则过于死板。
如何解决?
– 排序,让答案结点排在前面! – 寻找一种“有智力”的排序函数C(·),该函数能够
分枝-限界方法
– 一个E-结点一直保持到变成死结点为止。
限界函数
– 以上两种方法都使用限界函数杀死还没有 全部生成其儿子结点的那些活结点。
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4-皇后问题的限界函数
如果(x1, x2, …, xi)是到当前E-结点的路径, 那么具有父-子标记xi+1的所有儿子结点是 一些这样的结点,它们使得(x1, x2, …, xi+1)表示没有两个皇后正在互相攻击的一 种棋盘格局。
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LC-检索(成本估计函数)
从前面的两个成本度量标准看, 计算C(·) 的工作量与原问题的解具有相同复杂度。 这是因为计算一个结点的代价通常要检索 包含一个答案结点的子树才能确定,而这 正是解决此问题所要作的检索工作,因此 要得到精确的成本函数一般是不现实的。
因此需要成本估计函数g^(X) 出现的新问题
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15-谜问题(宽度优先)
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15-谜问题(宽度优先前十步)
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例:15-谜问题
按照FIFO检索方法不管开始格局如何,总是采 取由根开始的那条最左路径,因而检索是呆板 而盲目的。
我们所期望的是:
– 有一个具有一定“智能”的检索方法。这就需给 状态空间树的每个结点X赋予一定的成本值c(X), 可将由根出发到最近目标结点路径上的每个结点 X赋予这条路径长度作为他们的成本值。
算法 第6章 分枝限界法

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分支限界法的基本思想
堆的补充知识
堆的定义
满足下列性质的数列{R1, R2, …, Rn}被称为堆
Ri R2i (1) Ri R2i 1
或
(2)
Ri R2i Ri R2i 1
i 1, 2,,[n 2]
若满足条件(1)则称最小堆; 若满足条件(2)则称最大堆。
解空间树:
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0-1背包问题
设有n个物体和一个背包, 物体i的重量为wi , 价值为vi, 背包的承 重量为c, 若将物体i (1 i n)装入背包, 则有价值为vi . 目标是找到一个方案, 使得能放入背包的物体总价值最高。
当n=3时, 问题的解空间树:
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0-1背包问题
例:n=3,w=[16,15,15],v=[45,25,25],c=30 队列式分支限界法:
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分支限界法的基本思想
堆对应一棵完全二叉树,如
最小堆
最大堆
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分支限界法的基本设有n个物体和一个背包, 物体i的重量为wi , 价值为vi, 背包的承 重量为c, 若将物体i (1 i n)装入背包, 则有价值为vi . 目标是找到一个方案, 使得能放入背包的物体总价值最高。
此后,从活结点表中取下一结点成为当前扩展结点,并重 复上述结点扩展过程。这个过程一直持续到找到所需的解 或活结点表为空时为止。
3
分支限界法的基本思想
从活结点表中选择下一扩展结点的不同方式导致不同的分支 限界法。
常见的两种分支限界法:
(1)队列式(FIFO)分支限界法 将活结点表组织成一个队列,并按队列先进先出(FIFO)原 则选取下一个结点为当前扩展结点。 (2)优先队列式分支限界法 将活结点表组织成一个优先队列,并按照优先队列中规定的 优先级选取优先级最高的结点成为当前扩展结点。
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两个比较值
பைடு நூலகம்
对于一棵解空间树上的每一个节点所代表的部分解, 要计算出通过这个部分解繁衍出的任何解在目标函 数上的最佳值边界 目前求得的最佳解的值
算法会为每一节点x计算一个界,任何可能在以x 为根的子树中生成的结点所给出的解,其值都不 可能超出这个界. 分支限界法的主要思想
如果边界值不能超越最佳解,这个节点就是一个没有 希望的节点.
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分支限界法的基本思想
实例——8-拼块游戏问题
输入: 具有8 个编号小方块的魔方
输出: 移动系列, 经过这些移动, 魔方达到目标状态
2 1 7
8 6
3 4 5
1 8 7
2 6
3 4 5
初始状态
目标状态
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分支限界法的基本思想
FIFO队列式分支限界法
. 2 3 1 8 4 7 6 5 2 . 3 1 8 4 7 6 5 1 2 3 . 8 4 7 6 5 2 8 3 1 . 4 7 6 5 1 2 3 7 8 4 . 6 5
2
6
2 8 3 1 6 4 7 5 2 8 3 1 4 7 6 5
3
4
L=(3,2,4)
5
5
6
5
7
6
L=(5,6,2,4,7)
8
6
8 3 2 1 4 7 6 5
9
7
2 8 3 10 2 3 7 1 4 1 8 4 6 5 5 7 6 5 12 1 2 3 8 4 5 7 6 5
11 2 3 1 8 4 7 7 6 5
Queue Q; Q.add(-1); while (i != n+1) {
可行性约束
将一个新的活结 点插入到子集树 和优先队列中 i+1: 层数
输入:C>0, wi>0, vi>0, 1≤ i≤n
输出:(x1, x2, …, xn), xi∈{0, 1}, 满足
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0-1背包问题
-FIFO队列式
实例
n=3,C=30,w={16,15,15},p={45,25,25} 可行性约束函数:
FIFO队列式分支限界法的基本思想
A
L=(6,2,4,7,8,9) L=(10,2,4,7,8,9,11) L=(12,2,4,7,8,9,11)
13 1 2 3 8 4 C’(X)= C’(13) =5+0=5 7 6 5
L=(2,4,7,8,9,11)
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0-1背包问题
给定n种物品和一背包。物品i的重量是wi, 其价值为vi,背包的容量为C。问应如何 选择装入背包的物品,使得装入背包中 物品的总价值最大?
算法设计与分析
第 6章 分支限界法
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学习要点
理解分支限界法的剪枝搜索策略 掌握分支限界法的算法框架
队列式(FIFO)分支限界法 优先队列式分支限界法 0-1背包问题; 旅行售货员问题 装载问题; 单源最短路径问题 最大团问题; 批处理作业调度问题
通过应用范例学习分支限界法的设计策略
B,C E,F K,L
P=45 P=50
P=25 P=25
P=0
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0-1背包问题
-FIFO队列式
扩展结点生成顺序
ABCEFKL
实际生成的子集树
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0-1背包问题
-FIFO队列式
cw:当前装包重量 cp: 当前装包价值
分支限界搜索过程
// 非叶结点 // 检查当前扩展结点的左儿子结点 Typew wt = cw + w[i]; if (wt <= c) { // 左儿子结点为可行结点 if (cp+p[i] > bestp) bestp = cp+p[i]; Q.add(cp+p[i], cw+w[i], i+1);}//加入活结点队列
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分支限界法的基本思想
常见的两种分支限界法
根据从活结点表中获取下一 扩展结点的不同方式
(1)队列式分支限界法 (2)优先队列式分支限界法
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分支限界法的基本思想
(1)队列式分支限界法
按照队列先进先出(FIFO)或者后进先出 (LIFO)原则选取下一个结点为扩展结点。 不足:对结点的选择规则相当死板,具有一 定的 “盲目”性。这种选择规则不利于快 速检索到一个能够到达答案的结点。
1 8 7
2 6
3 4 5
目标状态
2 3 . 1 8 4 7 6 5
1 2 3 8 . 4 7 6 5
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分支限界法的基本思想
优先队列式分支限界法
“有智能”的排序函数C( )—最小代价估计 函数: C’(X)=从初始状态到X所移动的次数+还未 到位的数字方块数。 从初始状态到X所移动的次数是实际耗费的 代价,还未到位的数字方块数表示至少还要 移动的次数。 2 8 3 1 2 3
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分支限界法的基本思想
(2)优先队列式分支限界法
按照优先队列中规定的优先级选取优先级最 高的结点成为当前扩展结点。常用方法是 LC(Least Cost)方法。
最大优先队列:使用最大堆,体现最大效益优先
最小优先队列:使用最小堆,体现最小费用优先
对活结点使用一个“有智能”的排序函数来 选取下一个结点,往往可以加快获取答案的 速度。
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分支限界法的基本思想
分支限界法常以广度优先或以最小耗费(最大 效益)优先的方式搜索问题的解空间树。 在分支限界法中,每一个活结点只有一次机会 成为扩展结点。
活结点一旦成为扩展结点,就一次性产生其所有儿 子结点。 在这些儿子结点中,导致不可行解或导致非最优解 的儿子结点被舍弃,其余儿子结点被加入活结点表 中。 此后,从活结点表中取下一结点(最有利的)成为当 前扩展结点,并重复上述结点扩展过程。这个过程 一直持续到找到所需的解或活结点表为空时为止。
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分支限界法的基本思想
分支限界方法找最优解的效率比回溯法 高。 原因在于
采用了最小代价估值函数指导搜索,在活节 点表中,选择有最小代价估值的节点作为扩 展节点。即总是向最有可能获得最优解的子 树上扩展。 并且采用限界函数U杀死活节点表中不可能 成为最优解的节点,提高算法的效率。
4
分支限界法的基本思想
1 7 6 4 5 8 7 6 4 5
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初始状态 C’(X)=C’(1)=0+4=4
目标状态 C’(X)=s+0=s
1
4
2 8 3 1 6 4 7 5 2 8 3 1 4 7 6 5 2 3 1 8 4 7 6 5 4
6
优先队列
L=(1)
2 8 3 1 6 4 7 5 2 8 3 1 4 7 6 5