Эвристики

Иногда даже алгоритм ветвей и границ не может провести полный поиск в дереве. Дерево решений для задачи портфеля с 65 позициями содержит более 7 * 10¹⁹ узлов. Если алгоритм ветвей и границ проверяет только одну десятую процента этих узлов, и если компьютер проверяет миллион узлов в секунду, то для решения этой задачи потребовалось бы более 2 миллионов лет. В задачах, для которых алгоритм ветвей и границ выполняется слишком медленно, можно использовать эвристический подход.

Если качество решения не так важно, то приемлемым может быть результат, полученный при помощи эвристики. В некоторых случаях точность входных данных может быть недостаточной. Тогда хорошее эвристическое решение может быть таким же правильным, как и теоретически «наилучшее» решение.

В предыдущем примере метод ветвей и границ использовался для выбора инвестиционных возможностей. Тем не менее, вложения могут быть рискованными, и точные результаты часто заранее неизвестны. Может быть, что заранее будет неизвестен точный доход или даже стоимость некоторых инвестиций. В этом случае, эффективное эвристическое решение может быть таким же надежным, как и наилучшее решение, которое вы может вычислить точно.

@Таблица 8.2. Число узлов, проверенных при поиске методами полного перебора и ветвей и границ

=======201

В этом разделе обсуждаются эвристики, которые полезны при решении многих сложных задач. Программа Heur демонстрирует каждую из эвристик. Она также позволяет сравнить результаты, полученные при помощи эвристик и методов полного перебора и ветвей и границ. Введите значения минимальной и максимальной стоимости и дохода, а также число позиций и полную стоимость портфеля в соответствующих полях области Parameters (Параметры), чтобы задать параметры создаваемых данных. Затем выберите алгоритмы, которые вы хотите протестировать, и нажмите на кнопку Go. Программа выведет полную стоимость и доход для наилучшего решения, найденного при помощи каждого из алгоритмов. Она также сортирует решения по максимальному полученному доходу и выводит время выполнения для каждого из алгоритмов. Используйте метод ветвей и границ только для небольших задач, а метод полного перебора только для задач еще меньшего объема.

На рис. 8.8 показано окно программы Heur после решения задачи формирования портфеля для 20 позиций. Эвристики Fixed1, Fixed2 и No Changes 1, которые будут вскоре описаны, дали наилучшие эвристические решения. Заметьте, что эти решения немного хуже, чем точные решения, которые получены при использовании метода ветвей и границ.

Восхождение на холм

Эвристика восхождения на холм (hill‑climbing) вносит изменения в текущее решение, чтобы максимально приблизить его к цели. Этот процесс называется восхождением на холм, так как он похож на то, как заблудившийся путешественник пытается ночью добраться до вершины горы. Даже если уже слишком темно, чтобы еще можно было разглядеть что‑то вдали, путешественник может попытаться добраться до вершины горы, постоянно двигаясь вверх.

Конечно, существует вероятность, что путешественник застрянет на вершине меньшего холма и не доберется до пика. Эта проблема всегда может возникать при использовании этой эвристики. Алгоритм может найти решение, которое может оказаться локально приемлемым, но это не обязательно наилучшее возможное решение.

В задаче о формировании портфеля, цель заключается в том, чтобы подобрать набор позиций, полная стоимость которых не превышает заданного предела, а общая цена максимальна. На каждом шаге эвристика восхождения на холм будет выбирать позицию, которая приносит наибольшую прибыль. При этом решение будет все лучше соответствовать цели — получению максимальной прибыли.

@Рис. 8.8. Программа Heur

========202

Вначале программа добавляет к решению позицию с максимальной прибылью. Затем она добавляет следующую позицию с максимальной прибылью, если при этом полная цена еще остается в допустимых пределах. Она продолжает добавлять позиции с максимальной прибылью до тех пор, пока не останется позиций, удовлетворяющих условиям.

Для списка инвестиций из табл. 8.3, программа вначале выбирает позицию A, так как она дает максимальную прибыль — 9 миллионов долларов. Затем программа выбирает следующую позицию C, которая дает прибыль 8 миллионов. В этот момент потрачены уже 93 миллиона из 100, и программа не может приобрести больше позиций. Решение, полученное при помощи эвристики, включает позиции A и C, имеет стоимость 93 миллиона, и приносит 17 миллионов прибыли.

@Таблица 8.3. Возможные инвестиции

Эвристика восхождения на холм заполняет портфель очень быстро. Если позиции изначально были отсортированы в порядке убывания приносимой прибыли, то сложность этого алгоритма порядка O(N). Программа просто перемещается по списку, добавляя каждую позицию, если под нее есть место. Даже если список не упорядочен, то это алгоритм со сложностью порядка O(N²). Это намного лучше, чем O(2^N) шагов, которые требуются для полного перебора всех узлов в дереве. Для 20 позиций эта эвристика требует всего около 400 шагов, метод ветвей и границ — несколько тысяч, а полный перебор — более чем 2 миллиона.

Public Sub HillClimbing()

Dim i As Integer

Dim j As Integer

Dim big_value As Integer

Dim big_j As Integer

' Многократный обход списка и поиск следующей

' позиции, приносящей наибольшую прибыль,

' стоимость которой не превышает верхней границы.

For i = 1 To NumItems

big_value = 0

big_j = -1

For j = 1 To NumItems

' Проверить, не находится ли он уже

' в решении.

If (Not test_solution(j)) And _

(test_cost + Items(j).Cost <= ToSpend) And _

(big_value < Items(j).Profit)

Then

big_value = Items(j).Profit

big_j = j

End If

Next j

' Остановиться, если не найдена позиция,

' удовлетворяющая условиям.

If big_j < 0 Then Exit For

test_cost = test_cost + Items(big_j).Cost

test_solution(big_j) = True

test_profit = test_profit + Items(big_j).Profit

Next i

End Sub