Diskrete Optimierungsmodelle: effektive Algorithmen und näherungsweise Lösung
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Veröffentlicht: |
Berlin
Verl. Technik
1988
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1. Modellierung diskreter Optimierungsaufgaben .... 11
1.1. Einführung und Grundbegriffe 11
1.1.1. Anliegen des Buches 11
1.1.2. Diskrete Optimierungsaufgaben 12
1.1.3. Erforderliche mathematische Grundkenntnisse 14
1.2. Produktionsplanungsaufgabe 14
1.2.1. Problemstellung 14
1.2.2. Modellierung 15
1.3. Produktionssteuerungsproblem 16
1.3.1. Problemstellung 16
1.3.2. Voraussetzungen 16
1.3.3. Modellierung 17
1.4. Leiterplattenbearbeitung 20
1.4.1. Problemstellung 20
1.4.2. Modellierung 21
1.4.3. Modellierung mit Graphen 22
1.5. Energieversorgungsproblem 23
1.5.1. Problemstellung 23
1.5.2. Modellierung 24
2. Graphen, Mengensysteme und Matroide 26
2.1. Graphen und Rundreiseprobleme 26
2.1.1. Ungerichtete Graphen 26
2.1.2. Gerichtete Graphen 29
2.1.3. Rundreiseprobleme als Optimierungsaufgaben über Graphen 31
2.1.4. Beispiele 32
2.2. Matching und Gerüstppobleme 34
2.2.1. Definition von Matchingproblemen 34
2.2.2. Beispiele 35
2.2.3. Eine Anwendung zu Gerüstproblemen 36
2.3. Mengensysteme, Matroide und Optimierung 39
2.3.1. Einführung 39
2.3.2. Modellierung des Maximalgerüstproblems als Mengenoptimierungsaufgabe .. 39
2.3.3. Modellierung des Tornisterproblems als Mengenoptimierungsaufgabe 41
2.3.4. Matroide 42
2.3.5. Gerüste und Matroide 44
2.3.6. Optimierungsaufgaben über Matroiden 45
2.3.7. Optimierungsaufgaben über dem Durchschnitt von Matroiden 47
2.4. Unabhängigkeitssysteme und das Paritätsproblem 50
2.4.1. Definition und Eigenschaften von Unabhängigkeitssystemen 50
2.4.2. Definition des gewichteten Paritätsproblems 53
6
2.5. Reihenfolge und Zuordnungsprobleme 53
2.5.1. Einführung beider Aufgabenklassen 53
2.5.2. Klassifizierung von Reihenfolgeproblemen 55
2.5.3. Beispiele für Reihenfolgeprobleme 55
2.5.4. Modellierung von linearen Zuordnungsproblemen 55
2.5.5. Eine Anwendung zu quadratischen Zuordnungsproblemen 57
3. Branch and Bound und dynamische Optimierung 59
3.1. Exakte Methoden in der diskreten Optimierung 59
3.1.1. Schnittmethoden 59
3.1.2. Weitere Lösungskonzepte 60
3.2. Methode Branch and Bound 61
3.2.1. Zerlegung des zulässigen Bereiches 61
3.2.2. Schrankenberechnung 63
3.2.3. Algorithmus BAB 64
3.3. Dynamische Optimierung 66
3.3.1. Grundidee der dynamischen Optimierung 66
3.3.2. Algorithmus der dynamischen Optimierung zur Lösung von Tornister¬
problemen 67
3.4. Komplexität von Algorithmen der diskreten Optimierung 68
3.4.1. Komplexitä tsberechnungen 68
3.4.2. Polynomialer und exponentieller Aufwand 70
3.4.3. Komplexität des Algorithmus DO 71
4. Näherungsverfahren 73
4.1. Was sind Näherungsverfahren? 73
4.1.1. Begriffsbestimmung 73
4.1.2. Gründe für die Konstruktion von Algorithmen zur näherungsweisen Lösung
von Optimierungsproblemen 73
4.1.3. Anforderungen an solche Algorithmen 74
4.2. Beispiele von Näherungsalgorithmen 74
4.2.1. Algorithmus für das Rundreiseproblem 74
4.2.2. Näherungsweise Lösung eines Speicherplatzproblems 77
4.2.3. Lokaler Suchalgorithmus 78
4.2.4. Startpunktabhängigkeit von Näherungsalgorithmen 81
4.3. Güte von Näherungsalgorithmen 81
4.3.1. Nachteile von Testrechnungen auf dem Computer und ein Ausweg 81
4.3.2. Verwendete Gütekriterien und Beispiele für Güteabschätzungen 82
4.3.3. Güteabschätzungen im schlechtesten Fall 83
4.3.4. Güteabschätzungen im Mittel 84
4.4. Klassifikation von Näherungsalgorithmen 85
4.4.1. Exakte und asymptotisch exakte Näherungsalgorithmen 85
4.4.2. Polynomiale c Näherungsalgorithmen 86
4.4.3. Polynomiales Näherungsschema 87
4.5. Stochastisches Näherungsverfahren 90
4.5.1. Konstruktionsprinzip 90
4.5.2. Algorithmus THDYN 91
7
5. Greedy Algorithmen 93
5.1. Greedy Algorithmen zur Maximierung linearer Funktionen 93
5.1.1. Charakterisierung dieser Klasse von Näherungsalgorithmen 93
5.1.2. Algorithmus 93
5.1.3. Beispiele 94
5.1.4. Güteabschätzung 95
5.1.5. Rechenaufwand und Güteabschätzung von Näherungsalgorithmen 96
5.1.6. Abschätzung des Rangquotienten von Unabhängigkeitssystemen 97
5.1.7. Modifikationen des Algorithmus 100
5.2. Greedy Algorithmen zur Minimierung linearer Funktionen 100
5.2.1. Giiteabschätzung 100
5.2.2. Beispiele 101
5.3. Lineare Optimierungsaufgaben über Polymatroiden 102
5.3.1. Begriffsbestimmung 102
5.3.2. Algorithmus zur Maximierung linearer Funktionen 103
5.3.3. Algorithmus zur Minimierung linearer Funktionen 105
5.3.4. „Dualer Greedy Algorithmus 106
6. Matroid Intersektionsprobleme und das Paritätsproblem 108
6.1. Primaler Matroid Intersektionsalgorithmus 108
6.1.1. Grundprinzip des Verfahrens 108
6.1.2. Struktur des Algorithmus 110
6.1.3. Lösung eines Problembeispieles 112
6.1.4. Alarmierungssystem als Beispiel für ein Matroid Intersektionsproblem .. 113
6.1.5. Abschließende Bemerkungen 116
6.2. Greedy Algorithmus für das Paritätsproblem 117
6.2.1. Modellierung einer praktischen Aufgabenstellung 117
6.2.2. Lösungsverfahren 118
7. Komplexität diskreter Optimierungsaufgaben 120
7.1. Anliegen der Komplexitätstheorie 120
7.1.1. Einführung , 120
7.1.2. Komplexität bei binärer Kodierung 120
7.1.3. Probleme und Problembeispiele 121
7.1.4. Reduktion von Entscheidungsproblemen 122
7.1.5. NP vollständige und schwierige Probleme 124
7.1.6. Strategie zur Lösung schwieriger diskreter Optimierungsaufgaben 125
7.2. Polynomiale Transformationen 126
7.2.1. Polynomiale Reduktion 126
7.2.2. SATISFIABILITY 127
7.2.3. 3 SATISFIABILITY 128
7.2.4. VERTEX COVER 129
7.2.5. HAMILTON CIRCUIT 130
7.3. Komplexität ausgewählter Probleme 131
7.3.1. Komplexität und Mathematik 131
7.3.2. NP vollständige bzw. schwierige Probleme mit Graphen und Matroiden ... 132
7.3.3. NP vollständige bzw. schwierige dynamische Probleme 132
n
8. Produktionsplanungsaufgabe 134
i 8.1. Probleraformulierung 134
8.1.1. Herleitung des Problems aus Problem (EPA) 134
8.1.2. Analytische Darstellung 135
8.1.3. Spezialfälle 135
8.2. Lösung von Teilproblemen 136
8.2.1. Beziehung zu einem K Produkt Planungsproblem 136
8.2.2. Teilprobleme 137
8.2.3. Explizite Lösung dieser Probleme 138
8.2.4. Beispiel 139
8.3. Erster polynomialer Näherungsalgorithmus 140
8.3.1. Greedy Algorithmus für dieses Problem verbale Beschreibung 140
8.3.2. Formale Beschreibung des Algorithmus 140
8.3.3. Güteabschätzung im schlechtesten Fall 141
8.3.4. Güteabschätzung im Mittel 142
8.4. Polynomialer 1 Näherungsalgorithmus 143
8.4.1. Nachteile des Greedy Algorithmus . 143
8.4.2. Beschreibung des Algorithmus 143
8.4.3. Beispiel 144
8.4.4. Güteabschätzung im schlechtesten Fall 145
8.5. Numerische Ergebnisse 146
8.5.1. Testergebnisse für den polynomialen 1 Näherungsalgorithmus 146
8.5.2. Polynomialer Suchalgorithmus zur Verbesserung der Testergebnisse 147
9. Lokal optimale Strategie zur Steuerung von flexiblen Fertigungssystemen 148
9.1. Grundprinzip der Steuerstrategie 148
9.1.1. Vorbemerkung ¦ 148
9.1.2. Allgemeine Beschreibung eines flexiblen Fertigungssystems und möglicher
Realisierungsvarianten 148
9.1.3. Überlegungen zur Konzipierung einer Steuerstrategie 149
9.1.4. Ablaufplan für die lokal optimale Steuerstrategie 150
9.2. Modellierung einer lokalen Steueraufgabe 152
9.2.1. Einschränkende Voraussetzungen 152
9.2.2. Modellierung der „äußeren Optimierungsaufgabe 154
9.2.3. Modellierung der „inneren Optimierungsaufgabe 157
9.3. Greedy Algorithmus zur näherungsweisen Lösung von LSA2 160
9.3.1. Vorbemerkung l60
9.3.2. Verallgemeinertes Matroidproblem und seine Komplexität 160
9.3.3. Struktur und Genauigkeit des Greedy Algorithmus für das verallgemei¬
nerte Matroidproblem 162
9.3.4. Einbettung der lokalen Steueraufgabe LSA2 in das verallgemeinerte
Matroidproblem VMP 163
9.4. Numerische Ergebnisse 16*
9
10. Robotereinsatzprobleme 166
10.1. Allgemeine Betrachtungen zum Greiferwechsel und Stationierungsproblem 166
10.1.1. Problemstellungen 166
10.1.2. Aufgabenstellungen 166
10.2. Greiferwechselproblem 167
10.2.1. Problemstellung 167
10.2.2. Beispiel 167
10.2.3. Mathematisches Modell und Algorithmus 168
10.2.4. Güte des Algorithmus 170
10.2.5. Komplexität des Problems 170
10.3. Stationierungsproblem 172
10.3.1. Problemstellung und Voraussetzungen 172
10.3.2. Beispiel 172
10.3.3. Modellierung 174
10.3.4. Lösungshinweise 175
11. Ausblick 176
Literaturverzeichnis 177
Formelzeichenverzeichnis 182
Abkürzungsverzeichnis 183
Sachwörterverzeichnis 186
10
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Inhaltsverzeichnis
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