Динамическое программирование

 

       1.3 Примеры задач динамического программирования 

     Задача  планирования рабочей  силы:

     При выполнении некоторых проектов число рабочих, необходимых для выполнения какого-либо проекта, регулируется путем их найма и увольнения. Поскольку как наем, так и увольнение рабочих связано с дополнительными затратами, необходимо определить, каким образом должна регулироваться численность рабочих в период реализации проекта.

     Предположим, что проект будет выполнятся в  течение n недель и минимальная потребность в рабочей силе на протяжении i-й недели составит b_i рабочих. При идеальных условиях хотелось бы на протяжении i-й недели иметь в точности b_i рабочих. Однако в зависимости от стоимостных показателей может быть более выгодным отклонение численности рабочей силы как в одну, так и в другую сторону от минимальных потребностей.

     Если  x_i – количество работающих на протяжении i-й недели, то возможны затраты двух видов: 1) С₁(x_i- b_i)-затраты, связанные с необходимостью содержать избыток x_i - b_i рабочей силы и 2) С₂(x_i- x_i-1)-затраты, связанные с необходимостью дополнительного найма (x_i- x_i-1) рабочих.

     Элементы  модели динамического программирования определяются следующим образом:

1. Этап і представляется порядковым номером недели і, і=1,2,…n.
2. Вариантами решения на і-ом этапе являются значения x_i – количество работающих на протяжении і-й недели.
3. Состоянием на і-м этапе является x_i-1 – количество работающих на протяжении (і-1) –й недели (этапа).

     Рекуррентное  уравнение динамического программирования представляется в виде 

    

    где

     Вычисления  начинаются с этапа n при x_n=b_n и заканчиваются на этапе 1.  

     Задача замены оборудования:

     Чем дольше механизм эксплуатируется, тем  выше затраты на его обслуживание и ниже его производительность. Когда  срок эксплуатации механизма достигает определенного уровня, может оказаться более выгодной его замена. Задача замены оборудования, таким образом, сводится к определению оптимального срока эксплуатации механизма.

     Предположим, что мы занимаемся заменой механизмов на протяжении n лет. В начале каждого года принимается решение либо об эксплуатации механизма еще один год, либо о замене его новым.

     Обозначим через r(t) и c(t) прибыль от эксплуатации t-летнего механизма на протяжении года и затраты на его обслуживание за этот же период. Далее пусть s(t) – стоимость продажи механизма, который эксплуатировался t лет. Стоимость приобретения нового механизма остается неизменной на протяжении всех лет и равна l. 
 
 
 

     Элементы  модели динамического программирования таковы:

1. Этап і представляется порядковым номером года і, і=1,2,...n.
2. Вариантами решения на і-м этапе (т.е. для і-ого года) являются альтернативы: продолжить эксплуатацию или заменить механизм в начале і-ого года.
3. Состоянием на і-м этапе является срок эксплуатации t (возраст) механизма к началу і-ого года.

     Пусть f_i(t)-максимальная прибыль, получаемая за годы от і до n при условии, что в начале і-ого года имеется механизм t-летнего возраста.

     Рекуррентное  уравнение имеет следующий вид: 

    

    (1)-если  эксплуатировать механизм,

    (2)-если  заменить механизм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. ЗАДАЧА О ЗАГРУЗКЕ 

    Общие сведения 

     Задача  о загрузке – это задача о рациональной загрузке судна (самолета, автомашины и т.п.), которое имеет ограничения по объему или грузоподъемности. Каждый помещенный на судно груз приносит определенную прибыль. Задача состоит в определении загрузки судна такими грузами, которые приносят наибольшую суммарную прибыль.

     Рекуррентное  уравнение процедуры обратной прогонки выводится для общей задачи загрузки судна грузоподъемностью W предметов (грузов) n наименований. Пусть m_i-количество предметов і-го наименования, подлежащих загрузке, r_i-прибыль, которую приносит один загруженный предмет і-го наименования, w_i-вес одного предмета і-го наименования. Общая задача имеет вид следующей целочисленной задачи линейного программирования.

    Максимизировать z=r₁m₁+r₂m₂+…+r_nm_n.

    при условии, что

    w₁m₁+w₂m₂+…+w_nm_n

W,

    m₁,m₂,…,m_n

0 и целые.

     Три элемента модели динамического программирования определяются следующим образом:

1. Этап і ставится в соответствии предмету і-го наименования, і=1,2,…n.
2. Варианты решения на этапе і описываются количеством m_i предметов і-го наименования, подлежащих загрузке. Соответствующая прибыль равна r_im_i. Значение m_i заключено в пределах от 0 до [W/w_i], где [W/w_i] – целая часть числа W/w_i.
3. Состояние x_i на этапе і выражает суммарный вес предметов, решения о погрузке которых приняты на этапах і,і+1,...n. Это определение отражает тот факт, что ограничения по весу является единственным, которое связывает n этапов вместе.

     Пусть f_i(x_i)-максимальная суммарная прибыль от этапов і,і+1,...,n при заданном состоянии x_i. Проще всего рекуррентное уравнение определяется с помощью следующей двухшаговой процедуры.

     Шаг 1. Выразим f_i(x_i) как функцию f_i+1(x_i+1) в виде

    

     где f_n+1(x_n+1)=0.

     Шаг 2. Выразим x_i+1 как функцию x_i для гарантии того, что левая часть последнего уравнения является функцией лишь x_i. По определению x_i-x_i+1 представляет собой вес, загруженный на этапе і, т.е. x_i-x_i+1=w_im_i или x_i+1=x_i-w_im_i. Следовательно, рекуррентное уравнение приобретает следующий вид:

    

 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.2 Рекуррентные соотношения  для процедур прямой  и обратной прогонки 

     Фермеру принадлежит стадо овец, насчитывающее  k голов. Один раз в год фермер принимает решение о том, сколько овец продать и сколько оставить. Прибыль от продажи одной овцы в і-м году составляет p_i. Количество оставленных в i-м году овец удваивается в (1+1)-м году. По истечении п лет фермер намеревается продать все стадо.

    Этот  чрезвычайно простой пример приводится для того, чтобы наглядно продемонстрировать преимущества алгоритма обратной прогонки по сравнению с алгоритмом прямой прогонки. Вычислительные схемы процедур прямой и обратной прогонки обладают различной эффективностью в случаях, когда этапы модели нумеруются в некотором специальном порядке. Такая ситуация имеет место в приводимом примере, где этап j ставится в соответствие году j, т. е. этапы должны рассматриваться в хронологическом порядке.

    Сначала построим рекуррентные соотношения  для процедур прямой и обратной прогонки, а затем проведем сравнение двух вычислительных схем. Важное различие между двумя формулировками непосредственно следует из определения состояния.

    Обозначим количества оставленных и проданных  в j-м году овец через x_j и y_j, соответственно. Положим Zj,=x_j+y_j. Из условий задачи следует, что

    z₁=2x₀=2k, 
      z_j=2x_j-1,j=l,2, ...,n.

    Состояние на этапе j можно описать с помощью переменной z_j, которая выражает количество имеющихся к концу этапа j овец для распределения на этапах j+1, j+2, ..., n, или с помощью переменной x_j, которая выражает количество имеющихся к началу этапа j+1 овец, обусловленное принятыми на этапах 1,2,...,j решениями. Первое определение ориентировано на построение рекуррентного соотношения 
для процедуры обратной прогонки, тогда как второе определение приводит к использованию алгоритма прямой прогонки.

    Алгоритм  обратной прогонки

Обозначим через f_i(z_i) максимальную прибыль, получаемую на этапах j,j+1,…,n, при заданном z_j. Рекуррентное соотношение имеет следующий вид:

    

    Заметим, что y_j и z_j - неотрицательные целые числа. Кроме того, у_j (количество овец, проданных в конце периода j) должно быть меньше или равно z_j. Верхней границей для значений z_j, является величина 2^jk (где k- исходный размер стада), которая соответствует отсутствию продажи.

    Алгоритм  прямой прогонки

 

    Обозначим через g_j(x_j) максимальную прибыль, получаемую на этапах 1,2,...,j при заданном x_j, (где x_j— размер стада к началу этапа J+1). Рекуррентное соотношение записывается в следующем виде:

    

    

- целое.

    Сравнение двух формулировок показывает, что  представление x_j-1 через x_j создает более существенные препятствия для вычислений, чем представление z_j+1 через z_j.

    В замене x_j-1=(x_j+y_j)/2 подразумевается целочисленность правой части, тогда как на равенство z_j+1=2(z_j-y_j) такое требование не накладывается. Таким образом в случае процедуры прямой прогонки значения y_j и x_j, связанные неравенством

Y_j <=2^jk -X_j,

должны  дополнительно удовлетворять условию  целочисленности их полусуммы, связанному с видом зависимости х_j-1 от x_j,. Рассмотренный пример иллюстрирует трудности вычислительного характера, которые обычно возникают при использовании алгоритма прямой прогонки.

 

     

     2.3 Решение задачи  о загрузке 

     Контрольная работа содержит вопросы по N различным темам. Каждый вопрос типа i имеет вес Vi(i=1,2,…N), а также время, отводимое на ответ Wi. Максимально время, которое может затратить студент на контрольную работу W. Требуется определить максимальное количество баллов (вес), которое может набрать студент за отведенное время W=30. Данные приведены в таблице: