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19e51ebff6
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@ -155,7 +155,8 @@ Gesucht ist zu $I \in \domain$ eine zulässige Lösung $\sigma_\mathrm{opt} \in
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\subsubsection{Das Rucksackproblem \rucksack}
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\subsubsection{Das Rucksackproblem \rucksack}
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\begin{align*}
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\begin{align*}
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\domain &= \{\encoded*{ W, \vol, p, B} \mid \{1, \dots, n\}, \vol: W \mapsto \naturals, p: W\mapsto \naturals, B \in \naturals, \forall w \in W: vol(w) \le B\}\\
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\domain &= \{\encoded*{ W, \vol, p, B} \mid W = \{1, \dots, n\}, \vol: W \mapsto \naturals, p: W\mapsto \naturals, B \in \naturals,\\
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&\qquad \forall w \in W: vol(w) \le B\}\\
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\solution(\encoded*{ W, \vol, p, B}) &= \{ A \subseteq W \mid \sum_{w\in A}\vol(w) \le B\}\\
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\solution(\encoded*{ W, \vol, p, B}) &= \{ A \subseteq W \mid \sum_{w\in A}\vol(w) \le B\}\\
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f(A) &= \sum_{w\in A} p_w\\
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f(A) &= \sum_{w\in A} p_w\\
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\ziel &= \max
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\ziel &= \max
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@ -192,7 +193,7 @@ Die Größe der kleinsten möglichen Kantenfärbung ist der chromatische Index $
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\subsubsection{Das metrische Traveling-Salesperson-Problem $\deltatsp$}
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\subsubsection{Das metrische Traveling-Salesperson-Problem $\deltatsp$}
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\begin{align*}
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\begin{align*}
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\domain &= \{\encoded*{ K_n, c} \mid K_n\, \text{vollständiger Graph auf $n$ Knoten}, c: E \mapsto \naturals,\\
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\domain &= \{\encoded*{ K_n, c} \mid K_n\, \text{vollständiger Graph auf $n$ Knoten}, c: E \mapsto \naturals,\\
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&\underbrace{\forall u, v, w \in V: c(u,v) \le c(u,w) + c(w, v)}_\text{Dreiecksungleichung}\}\\
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&\forall u, v, w \in V: \underbrace{c(u,v) \le c(u,w) + c(w, v)}_\text{Dreiecksungleichung}\}\\
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\solution(\encoded*{ K_n, c }) &= \{ C \mid C = (v_{i_1}, v_{i_2}, \dots, v_{i_n}, v_{i_i})\,\text{ist ein Hamiltonkreis}\}\\
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\solution(\encoded*{ K_n, c }) &= \{ C \mid C = (v_{i_1}, v_{i_2}, \dots, v_{i_n}, v_{i_i})\,\text{ist ein Hamiltonkreis}\}\\
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f(c_\edges) &= c(v_{i_n}, v_{i_1}) + \sum_{j=1}^{n-1} c(v_{i_j}, v_{i_{j+1}})\\
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f(c_\edges) &= c(v_{i_n}, v_{i_1}) + \sum_{j=1}^{n-1} c(v_{i_j}, v_{i_{j+1}})\\
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\ziel &= \min
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\ziel &= \min
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@ -312,7 +313,7 @@ Ein planarer Graph kann so auf einer Kugel dargestellt werden, dass sich keine s
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\begin{equation*}
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\kappa_A(I) = \abs*{A(I) - \opt(I)}
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\kappa_A(I) = \abs*{A(I) - \opt(I)}
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\end{equation*}
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\end{equation*}
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\item Die absolute Worst-Case-Güte von $A$ abhängig von der Eingabelänge $n = \abs*{I}$ ist die Funktion
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\item Die absolute Worst-Case-Güte von $A$ ist die Funktion
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\begin{equation*}
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\kappa_A^{\mathrm{wc}}(n) = \max\{\kappa_A(I) \mid I \in \domain, \abs*{I} \le n\}
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\kappa_A^{\mathrm{wc}}(n) = \max\{\kappa_A(I) \mid I \in \domain, \abs*{I} \le n\}
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\end{equation*}
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\end{equation*}
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@ -344,7 +345,7 @@ Ein planarer Graph kann so auf einer Kugel dargestellt werden, dass sich keine s
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Eine zulässige Lösung $\sigma$ für $I$ ist auch eine zulässige Lösung für $I'$. Gleiches gilt aufgrund der Monotonie der Multiplikation auch für optimale Lösungen.
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Eine zulässige Lösung $\sigma$ für $I$ ist auch eine zulässige Lösung für $I'$. Gleiches gilt aufgrund der Monotonie der Multiplikation auch für optimale Lösungen.
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Durch die Multiplikation aller Preise mit $k + 1$ beträgt die \enquote{Lücke} zwischen den optimalen und der ersten nicht-optimalen Lösung für $I'$ mindestens $k + 1$.
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Durch die Multiplikation aller Preise mit $k + 1$ beträgt die \enquote{Lücke} zwischen den optimalen und der ersten nicht-optimalen Lösung für $I'$ mindestens $k + 1$.
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Da $A$ eine absolute Güte von $k$ garantiert und in Polynomzeit terminiert, kann es nur eine optimale Lösung für $I'$, welche auf optimal für $I$ ist, zurückgeben. Damit ist das $NP$-vollständige \rucksack{} in Polynomzeit exakt lösbar.
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Da $A$ eine absolute Güte von $k$ garantiert und in Polynomzeit terminiert, kann es nur eine optimale Lösung für $I'$, welche auch optimal für $I$ ist, zurückgeben. Damit ist das $NP$-vollständige \rucksack{} in Polynomzeit exakt lösbar.
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\end{proof}
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\end{proof}
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Die hierbei verwendete Vorgehensweise einer Selbstreduktion sowie das \enquote{Aufblasen} des Problems (\enquote{Scaling}, \enquote{Gap Amplification}) lässt sich auch auf viele andere Probleme wie etwa \setcover{} anwenden. Folglich kann eine konstante Gütegarantie nur für vergleichsweise wenig Probleme erreicht werden.
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Die hierbei verwendete Vorgehensweise einer Selbstreduktion sowie das \enquote{Aufblasen} des Problems (\enquote{Scaling}, \enquote{Gap Amplification}) lässt sich auch auf viele andere Probleme wie etwa \setcover{} anwenden. Folglich kann eine konstante Gütegarantie nur für vergleichsweise wenig Probleme erreicht werden.
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@ -894,7 +895,7 @@ Es ergibt sich also das folgende ganzahlige lineare Programm (ILP) $B$ für \max
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&\quad\hat{x}_i \in \{0, 1\} &\forall i\\
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&\quad\hat{x}_i \in \{0, 1\} &\forall i\\
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&\quad\hat{Z}_j \in \{0, 1\} &\forall j
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&\quad\hat{Z}_j \in \{0, 1\} &\forall j
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\end{align*}
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Relaxiert man die Bedingungen, dass $\hat{x}_i, \hat{Z}_j \in \{0, 1\}$ gelten muss, und stellt fordert stattdessen $\forall i, j: 0\le \hat{x}_i, \hat{Z}_j \le 1$, kann das resultierende LP $B_\rel$ in Polynomzeit gelöst werden. Das LP selbst hat ebenfalls eine polynomiell beschränkte Anzahl an Bedingungen, sodass die Gesammtlaufzeit auch polynomiell beschränkt ist.
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Relaxiert man die Bedingungen, dass $\hat{x}_i, \hat{Z}_j \in \{0, 1\}$ gelten muss, und fordert stattdessen $\forall i, j: 0\le \hat{x}_i, \hat{Z}_j \le 1$, kann das resultierende LP $B_\rel$ in Polynomzeit gelöst werden. Das LP selbst hat ebenfalls eine polynomiell beschränkte Anzahl an Bedingungen, sodass die Gesammtlaufzeit auch polynomiell beschränkt ist.
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Durch die Relaxierung entsteht die folgende Beziehung (exemplarisch für ein Maximierungsproblem), die als Superoptimalität bezeichnet wird:
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Durch die Relaxierung entsteht die folgende Beziehung (exemplarisch für ein Maximierungsproblem), die als Superoptimalität bezeichnet wird:
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\begin{equation*}
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\begin{equation*}
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@ -1047,7 +1048,7 @@ Dann bezeichnet
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die Ganzzahligkeitslücke (\enquote{integrality gap}) der Relaxierung.
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die Ganzzahligkeitslücke (\enquote{integrality gap}) der Relaxierung.
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Für das LP $B_\rel$ für \maxsat{} bestimmt sich die Ganzzahligkeitslücke aus der booleschen $(2,4)$-Formel $\Phi = (x_1 \lor x_2) \land (\overline{x_1} \lor x_2) \land (x_1 \lor \overline{x_2}) \land (\overline{x_1} \lor \overline{x_2})$:
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Für das LP $B_\rel$ für \maxsat{} bestimmt sich die Ganzzahligkeitslücke aus der booleschen $(2,4)$-Formel $\Phi = (x_1 \lor x_2) \land (\overline{x_1} \lor x_2) \land (x_1 \lor \overline{x_2}) \land (\overline{x_1} \lor \overline{x_2})$:
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$\opt(\phi) = 3$, aber $\opt(B_\rel) = 4$. Damit folgt $\gamma \le \frac{4}{3}$.
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$\opt(\Phi) = 3$, aber $\opt(B_\rel) = 4$. Damit folgt $\gamma \le \frac{4}{3}$.
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Allgemein folgen mit $\gamma \ge \frac{\opt(X_\rel)}{\opt(X)}$ die beiden Aussagen
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Allgemein folgen mit $\gamma \ge \frac{\opt(X_\rel)}{\opt(X)}$ die beiden Aussagen
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