kỹ thuật tìm kiếm địa phương

Kĩ thuật tìm kiếm địa phương (local search) thường được áp dụng để giải các bài toán tìm lời giải tối ưu. Phương pháp như sau:

• Xuất phát từ một phương án nào đó.
• Áp dụng một phép biến đổi lên phương án hiện hành để được một phương án mới tốt hơn phương án đã có.
• Lặp lại việc áp dụng phép biến đổi lên phương án hiện hành cho đến khi không còn có thể cải thiện được phương án nữa.

Thông thường một phép biến đổi chỉ thay đổi một bộ phận nào đó của phương án hiện hành để được một phương án mới nên phép biến đổi được gọi là phép biến đổi địa phương và do đó ta có tên kĩ thuật tìm kiếm địa phương. Sau đây ta sẽ trình bày một số ví dụ áp dụng kĩ thuật tìm kiếm địa phương.

Cho G = (V,E) là một đồ thị vô hướng liên thông, trong đó V là tập các đỉnh và E là tập các cạnh. Các cạnh của đồ thị G đều có trọng số. Cây T có tập hợp các nút là V được gọi là cây phủ (spaning tree) của đồ thị G.

Cây phủ tối thiểu là một cây phủ của G mà tổng độ dài (trọng số) các cạnh nhỏ nhất.

Bài toán cây phủ tối thiểu thường được áp dụng trong việc thiết kế một mạng lưới giao thông giữa các thành phố hay thiết kế một mạng máy tính.

Kĩ thuật tìm kiếm địa phương áp dụng vào bài toán này như sau:

• Phương án ban đầu là một cây phủ nào đó.
• Thành lập tập tất cả các cạnh theo thứ tăng dần của độ dài (có n(n-1)2 size 12{ { {n ( "n-1" ) } over {2} } } {} cạnh đối với đồ thị có n đỉnh).
• Phép biến đổi địa phương ở đây là: Chọn một cạnh có độ dài nhỏ nhất trong tập các cạnh chưa sử dụng để thêm vào cây. Trong cây sẽ có một chu trình, loại khỏi chu trình cạnh có độ dài lớn nhất trong chu trình đó. Ta được một cây phủ mới. Lặp lại bước này cho đến khi không còn cải thiện được phương án nữa.

Ví dụ 3-12: Cho đồ thị G bao gồm 5 đỉnh a, b, c, d,e và độ dài các cạnh được cho trong hình 3-15.

Tập hợp các cạnh để xét được thành lập theo thứ tự từ nhỏ đến lớn là ad, ab, be, bc, ac, cd, bd, de, ae và ce.

Cây xuất phát với giá là 20 (Hình 3-16). Thêm cạnh ad = 2, bỏ cạnh cd = 5 ta được cây mới có giá là 17 (Hình 3-17).

Lại thêm cạnh ab = 3, bỏ cạnh bc = 4 ta được cây có giá là16 (Hình 3-18).

Thêm cạnh be = 3, bỏ cạnh ae = 7 ta được cây có giá là 12. (Hình 3-19).

Việc áp dụng các phép biến đổi đến đây dừng lại vì nếu tiếp tục nữa thì cũng không cải thiện được phương án.

Vậy cây phủ tối thiểu cần tìm là cây trong hình 3-19

Trong các kĩ thuật được trình bày trong chương, kĩ thuật chia để trị là kĩ thuật cơ bản nhất. Hãy chia nhỏ các bài toán để giải quyết nó!

Với các bài toán tìm phương án tối ưu, kĩ thuật “tham ăn” giúp chúng ta nhanh chóng xây dựng được một phương án, dẫu rằng chưa hẳn tối ưu nhưng chấp nhận được. Kĩ thuật nhánh cận cho phép chúng ta tìm được phương án tối ưu. Trong kĩ thuật nhánh cận, việc phân nhánh không khó nhưng việc xác định giá trị cận là điều quan trọng. Cần phải xác định giá trị cận sao cho càng sát với giá của phương án càng tốt vì như thế thì có thể cắt tỉa được nhiều nút trên cây và đo đó sẽ giảm được thời gian thực hiện chương trình.

Vận dụng phương pháp quy hoạch động có thể giải được rất nhiều bài toán. Điều quan trọng nhất để áp dụng phương pháp quy hoạch động là phải xây dựng được công thức đệ quy để xác định kết quả bài toán thông qua kết quả các bài toán con.

Bài 1: Giả sử có hai đội A và B tham gia một trận thi đấu thể thao, đội nào thắng trước n hiệp thì sẽ thắng cuộc. Chẳng hạn một trận thi đấu bóng chuyền 5 hiệp, đội nào thắng trước 3 hiệp thì sẽ tháng cuộc. Giả sử hai đội ngang tài ngang sức. Đội A cần thắng thêm i hiệp để thắng cuộc còn đội B thì cần thắng thêm j hiệp nữa. Gọi P(i,j) là xác suất để đội A cần i hiệp nữa để chiến thắng, B cần j hiệp. Dĩ nhiên i,j đều là các số nguyên không âm.

Ðể tính P(i,j) ta thấy rằng nếu i=0, tức là đội A đã thắng nên P(0,j) = 1. Tương tự nếu j=0, tức là đội B đã thắng nên P(i,0) = 0. Nếu i và j đều lớn hơn không thì ít nhất còn một hiệp nữa phải đấu và hai đội có khả năng 5 ăn, 5 thua trong hiệp này. Như vậy P(i,j) là trung bình cộng của P(i-1,j) và P(i,j-1). Trong đó P(i-1,j) là xác suất để đội A thắng cuộc nếu nó thắng hiệp đó và P(i,j-1) là xác suất để A thắng cuộc nếu nó thua hiệp đó. Tóm lại ta có công thức tính P(i,j) như sau:

P(i,j) = 1 Nếu i = 0

P(i,j) = 0 Nếu j = 0

P(i,j) = (P(i-1,j) + P(i,j-1))/2 Nếu i > 0 và j > 0

1. Viết một hàm đệ quy để tính P(i,j). Tính độ phức tạp của hàm đó.
2. Dùng kĩ thuật quy hoạch động để viết hàm tính P(i,j). Tính độ phức tạp của hàm đó.
3. Viết hàm P(i,j) bằng kĩ thuật quy hoach động nhưng chỉ dùng mảng một chiều (để tiết kiệm bộ nhớ).

Bài 2 : Bài toán phân công lao động: Có n công nhân có thể làm n công việc. Công nhân i làm công việc j trong một khoảng thời gian tij. Phải tìm một phương án phân công như thế nào để các công việc đều được hoàn thành, các công nhân đều có việc làm, mỗi công nhân chỉ làm một công việc và mỗi công việc chỉ do một công nhân thực hiện đồng thời tổng thời gian là nhỏ nhất.

1. Mô tả kĩ thuật “tham ăn” (greedy) cho bài toán phân công lao động.
2. Tìm phương án theo giải thuật “háu ăn” cho bài toán phân công lao động được cho trong bảng sau. Trong đó mỗi dòng là một công nhân, mỗi cột là một công việc, ô (i,j) ghi thời gian tij mà công nhân i cần để hoàn thành công việc j. (Cần chỉ rõ công nhân nào làm công việc gì và tổng thời gian là bao nhiêu )

Công việcCông nhân	1	2	3	4	5
1	5	6	4	7	2
2	5	2	4	5	1
3	4	5	4	6	3
4	5	5	3	4	2
5	3	3	5	2	5

Bài 3: Bài toán tô màu bản đồ thế giới

Người ta muốn tô màu bản đồ các nước trên thế giới, mỗi nước đều được tô màu và hai nước có biên giới chung nhau thì không được có màu giống nhau (các nước không chung biên giới có thể được tô màu giông nhau). Tìm một phương án tô màu sao cho số loại màu phải dùng ít nhất.

Người ta có thể mô hình hóa bản đồ thế giới bằng một đồ thị không có hướng, trong đó mỗi đỉnh biểu diễn cho một nước, biên giới của hai nước được biểu diễn bằng cạnh nối hai đỉnh. Bài toán tô màu bản đồ thế giới trở thành bài toán tô màu các đỉnh của đồ thi: Mỗi đỉnh của đồ thị phải được tô màu và hai đỉnh có chung một cạnh thì không được tô cùng một màu (cá đỉnh không chung cạnh có thể được tô cùng một màu). Tìm một phương án tô màu sao cho số loại màu phải dùng là ít nhất.

1. Hãy mô tả kĩ thuật “tham ăn” (Greedy) để giải bài toán tô màu cho đồ thị.
2. Áp dụng kĩ thuật háu ăn để tô màu cho các đỉnh của đồ thị sau (các màu có thể sử dung để tô là: ÐỎ, CAM, VÀNG, XANH, ÐEN, NÂU, TÍM)

Bài 4: Dùng kĩ thuật cắt tỉa alpha-beta để định trị cho nút gốc của cây trò chơi sau (các số trong các nút lá là các giá trị đã được gán cho chúng)

Bài 5 : Xét một trò chơi có 6 viên bi, hai người thay phiên nhau nhặt từ 1 đến 3 viên. Người phải nhặt chỉ một viên bi cuối cùng thì bị thua.

1. Vẽ toán bộ cây trò chơi
2. Sử dụng kĩ thuật cắt tỉa alpha-beta định trị cho nút gốc
3. Ai sẽ thắng trong trò chơi này nếu hai người đều đi những nước tốt nhất. Hãy cho một nhận xét về trường hợp tổng quát khi ban đầu có n viên bi và mỗi lần có thể nhặt từ 1 đến m viên.

Bài 6 : Xét một trò chơi có 7 cái đĩa. Người chơi 1 chia thành 2 chồng có số đĩa không bằng nhau. Người chơi 2 chọn một chồng trong số các chồng có thể chia và tiếp tục chia thành hai chồng không bằng nhau. Hai người luân phiên nhau chia đĩa như vậy cho đến khi không thể chia được nữa thì thua.

1. Vẽ toàn bộ cây trò chơi.
2. Sử dụng kĩ thuật cắt tỉa alpha-beta định trị cho nút gốc
3. Ai sẽ thắng trong trò chơi này nếu hai người đều đi những nước tốt nhất.

Loại đồ vật	Trọng lượng	Giá trị
A	15	30
B	10	25
C	2	2
D	4	6
E	8	24

Bài 7:Cho bài toán cái ba lô với trọng lượng của ba lô W = 30 và 5 loại đồ vật được cho trong bảng bên. Tất cả các loại đồ vật đều chỉ có một cái.

1. Giải bài toán bằng kỹ thuật “Tham ăn” (Greedy).
2. Giải bài toán bằng kỹ thuật nhánh cận.