运筹学课件 第三节 分支定界法
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分支定界 (branch and bound) 算法是一种在问题的解空间树上搜索问题的解的方法。
但与回溯算法不同,分支定界算法采用广度优先或最小耗费优先的方法搜索解空间树,并且,在分支定界算法中,每一个活结点只有一次机会成为扩展结点。
利用分支定界算法对问题的解空间树进行搜索,它的搜索策略是:1 .产生当前扩展结点的所有孩子结点;2 .在产生的孩子结点中,抛弃那些不可能产生可行解(或最优解)的结点;3 .将其余的孩子结点加入活结点表;4 .从活结点表中选择下一个活结点作为新的扩展结点。
如此循环,直到找到问题的可行解(最优解)或活结点表为空。
从活结点表中选择下一个活结点作为新的扩展结点,根据选择方式的不同,分支定界算法通常可以分为两种形式:1 . FIFO(First In First Out) 分支定界算法:按照先进先出原则选择下一个活结点作为扩展结点,即从活结点表中取出结点的顺序与加入结点的顺序相同。
2 .最小耗费或最大收益分支定界算法:在这种情况下,每个结点都有一个耗费或收益。
如果要查找一个具有最小耗费的解,那么要选择的下一个扩展结点就是活结点表中具有最小耗费的活结点;如果要查找一个具有最大收益的解,那么要选择的下一个扩展结点就是活结点表中具有最大收益的活结点。
又称分支定界搜索法。
过程系统综合的一类方法。
该法是将原始问题分解,产生一组子问题。
分支是将一组解分为几组子解,定界是建立这些子组解的目标函数的边界。
如果某一子组的解在这些边界之外,就将这一子组舍弃(剪枝)。
分支定界法原为运筹学中求解整数规划(或混合整数规划)问题的一种方法。
用该法寻求整数最优解的效率很高。
将该法原理用于过程系统综合可大大减少需要计算的方案数日。
分支定界法的思想是:首先确定目标值的上下界,边搜索边减掉搜索树的某些支,提高搜索效率。
在竞赛中,我们有时会碰到一些题目,它们既不能通过建立数学模型解决,又没有现成算法可以套用,或者非遍历所有状况才可以得出正确结果。
分支定界法概述(1)分枝定界-简介分枝定界(branch and bound)是另一种系统地搜索解空间的方法,它与回溯法的主要区别在于对E-节点的扩充方式。
每个活节点有且仅有一次机会变成E-节点。
当一个节点变为E-节点时,则生成从该节点移动一步即可到达的所有新节点。
在生成的节点中,抛弃那些不可能导出(最优)可行解的节点,其余节点加入活节点表,然后从表中选择一个节点作为下一个E-节点。
从活节点表中取出所选择的节点并进行扩充,直到找到解或活动表为空,扩充过程才结束。
分枝定界-方法有两种常用的方法可用来选择下一个E-节点(虽然也可能存在其他的方法):1) 先进先出(F I F O)即从活节点表中取出节点的顺序与加入节点的顺序相同,因此活节点表的性质与队列相同。
2) 最小耗费或最大收益法在这种模式中,每个节点都有一个对应的耗费或收益。
如果查找一个具有最小耗费的解,则活节点表可用最小堆来建立,下一个E-节点就是具有最小耗费的活节点;如果希望搜索一个具有最大收益的解,则可用最大堆来构造活节点表,下一个E-节点是具有最大收益的活节点。
分枝定界-例子例5-1 【迷宫老鼠】考察图16-3a 给出的迷宫老鼠例子和图1 6 - 1的解空间结构。
使用F I F O分枝定界,初始时取(1,1)作为E-节点且活动队列为空。
迷宫的位置(1 , 1)被置为1,以免再次返回到这个位置。
(1,1)被扩充,它的相邻节点(1,2)和(2,1)加入到队列中(即活节点表)。
为避免再次回到这两个位置,将位置(1,2)和(2,1)置为1。
此时迷宫如图1 7 - 1 a所示,E-节点(1,1)被删除。
节点(1,2)从队列中移出并被扩充。
检查它的三个相邻节点(见图1 6 - 1的解空间),只有(1,3)是可行的移动(剩余的两个节点是障碍节点),将其加入队列,并把相应的迷宫位置置为1,所得到的迷宫状态如图17-1b 所示。
节点(1,2)被删除,而下一个E-节点(2,1)将会被取出,当此节点被展开时,节点(3,1)被加入队列中,节点(3,1)被置为1,节点(2,1)被删除,所得到的迷宫如图17-1c 所示。