X¥y düng h m gi¡ trà

Một phần của tài liệu Lớp bài toán quy hoạch nguyên bậc hai với vế phải ràng buộc ngẫu nhiên (Trang 31)

Vi»c t½nh to¡n h m gi¡ trà cõa b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai mët c¡ch tèt nh§t ang g°p nhi·u khâ kh«n. Hi»n nay mët sè t¡c gi£ ¢ · xu§t thuªt to¡n trong c¡c tr÷íng hñp cö thº, ch¯ng h¤n Kong v  cëng sü [7].

Düa tr¶n c¡c þ t÷ðng sû döng trong tr÷íng hñp tuy¸n t½nh, trong möc n y chóng ta tr¼nh b y 2 thuªt to¡n º x¥y düng c¡c h m gi¡ trà cõa b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai câ chùa tham sè.

Gi£ sû A1 v  A2 £m b£o t½nh húu h¤n cõa B1 v  B2 (xem kþ hi»u ð möc 2.3.1).

Kþ hi»u

B := β | z(β) húu h¤n ,

trong â z(β) l  h m gi¡ trà cõa b i to¡n (P QIP), cæng thùc (2.10) möc 2.2.2.

Do vªy ta x²t tham sè cõa b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai tham sè tr¶n mët tªp húu h¤n c¡c v¸ ph£i β ∈ B. Nh÷ vªy ð ¥y

Trong gi£ thi¸t A2 v  A3 c¡c h m gi¡ trà trong c£ hai giai o¤n ψ(β1)

v  φ(β2) ·u húu h¤n vîi måi β1 ∈ B1 v  β2 ∈ B2. Vªy n¶n ta câ thº gi£ thi¸t r¬ng z(β) húu h¤n vîi måi β ∈ B.

i·u ki»n câ k¸t c§u ri¶ng. Thuªt to¡n ¦u ti¶n düa v o c¡c giîi h¤n ÷ñc °t ra ð trong möc 2.2 vîi h m gi¡ trà b i to¡n quy hoach nguy¶n bªc hai t«ng. Thuªt to¡n ti¸p theo ÷a ra º gi£i b i to¡n ma trªn i·u ki»n khæng ¥m G. Thuªt to¡n thù hai ¡p döng cho c¡c b i to¡n vîi ÷íng ch²o Q 0. Thuªt to¡n ¦u ti¶n sau ¥y câ t¶n chung l : Thuªt to¡n t«ng ch½nh x¡c.

Trong thuªt to¡n n y ta gi£ ành z(.) t«ng. °t l(.) v  u(.) l¦n l÷ñt l  giîi h¤n d÷îi v  giîi h¤n tr¶n cõa z(.). Ta câ l(β) ≤ z(β) ≤ u(β) vîi måi β ∈ B trong c£ thuªt to¡n. Khi l(β) = u(β), s³ t¼m ÷ñc z(β) v  thuªt to¡n s³ k¸t thóc khi z(β) ÷ñc x¡c ành vîi måi β ∈ B. Ngo i c¡c giîi h¤n tø möc 2.2 chóng ta cán sû döng c¡c thuëc t½nh sau ¥y cõa h m gi¡ trà. Vi»c chùng minh c¡c Bê · sau ¥y câ thº xem trong [8]

Bê · 2.3.2.1. Gi£ sû z(.) t«ng v  cho bx∈ opt(β) th¼ z(β) = 0 vîi måi β sao cho 0≤ β ≤ β−Gbx.

Bê · 2.3.2.2. Gi£ sûz(.) khæng gi£m v  choxb∈ opt(β) th¼z(β) = z(β)

vîi måi β sao cho Gbx ≤β ≤ β.

Trong thuªt to¡n ta x¡c ành l(β) v  u(β) vîi mët sè β ∈ B b¬ng c¡ch thüc hi»n hai thao t¡c cì b£n sau:

1. Gi£i ch½nh x¡c mët b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai vîi v¸ ph£i β ∈ B v  thu ÷ñc ph÷ìng ¡n tèi ÷u xb.

2. Cho bx, nhªp c¡c giîi h¤n tr¶n v  giîi h¤n d÷îi cõa tªp hñp con v· ph£i trong B sû döng :

i) C¡c thuëc t½nh cõa h m gi¡ trà trong Bê · 2.3.2.1 v  2.3.2.2

ii) C¡c thuëc t½nh khæng gi£m v  t«ng cõa h m z(.) (M»nh · 2.2.2.8 v  M»nh · 2.2.2.9) giîi h¤n tø M»nh · 2.2.2.15 v  mët sè lþ luªn cì b£n (xem chi ti¸t d÷îi ¥y).

Thªt to¡n 1 (Thuªt to¡n t«ng ch½nh x¡c).

1, ..., n n¸u gj ∈ B, °t l0(gj) = 12qjj + cj. Khæng m§t t½nh têng qu¡t ta gi£ thi¸t r¬ng khæng câ nhúng cët tròng l°p. Xªy düng giîi h¤n tr¶n u0(β) = +∞ vîi måi β ∈ B. °t Lk := ∅ v  k ←1.

B÷îc 1. Chuyºn êilk(β) ← lk−1(β)v  uk(β) ← uk−1(β) vîi måiβ ∈ B. Chån βk ∈ B\ Lk. Gi£ b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai vîi v¸ ph£i βk º nhªn ÷ñc ph÷ìng ¡n tèi ÷u bxk. Lóc n y ta thüc hi»n tu¦n tü:

(1a) Vîi måi β ∈ B \ Lk m  Gxbk ≤ β ≤ βk °t lk(β) = uk(β) = cTxbk +

1

2xbkTQbxk v  Lk ← Lk ∪ {β}.

(1b) Vîi måi β ∈ B\ Lk m  0 ≤ β ≤ βk −Gxbk °t lk(β) = uk(β) = 0 v  Lk ← Lk ∪ {β}.

(1c) Vîi måi β ∈ B \ Lk m  β ≥ βk °t lk(β) ← max{lk(β), lk(βk)}. N¸u β −βk ∈ B\Lk, lk(β) ← max{lk(β), lk(βk) +lk(β−βk)}.

(1d) Vîi måi β ∈ B\ Lk m  β ≤ βk °t uk(β) ← min{uk(β), uk(βk)}. N¸u βk −β ∈ B\Lk, uk(β) ←min{uk(β), uk(βk)−lk(βk−β)}.

(1e) Vîi måi β ∈ B\ Lk, n¸u β +βk ∈ B\Lk, uk(β) ← min{uk(β), uk(β +

βk)−lk(βk)}.

B÷îc 2: Chån t§t c£ x ∈ Zn

+ m  x ≤ xbk. N¸u Gx∈ B, chuyºn êi: (2a) lk(Gx) ←max{lk(Gx), cTx+ 12xTQx}.

(2b) uk(Gx) ← min{uk(Gx), cTx+ 12xTQx+ xTQ(xb−x)}. N¸u βk −Gx ∈ B °t

(2c) lk(βk−Gx) ←max{lk(βk−Gx), lk(Gbxk)−xTQ(xbk−x)−cTx−12xTQx}. (2d) uk(βk −Gx) ← min{uk(βk −Gx), uk(Gxbk)−cTx− 12xTQx}.

B÷îc 3: N¸u lk(β) = uk(β) vîi måi β ∈ B th¼ k¸t thóc vîi z(.) =

º ¡nh gi¡ t½nh hi»u qu£ cõa thuªt to¡n, ta ph¡t biºu v  chùng minh Bê · 2.3.2.3 s¥u ¥y.

Bê · 2.3.2.3. T¤i b§t k¼ l¦n l°p thù k n o cõa thuªt to¡n t«ng ch½nh x¡c, lk(β) ≤ z(β) ≤ uk(β) vîi måi β ∈ B.

Chùng minh. C¡c giîi h¤n d÷îi trong B÷îc 0 th§y ÷ñc tø M»nh · 2.2.2.7.

Gi£ sû ð l¦n l°p thù k −1 ≥ 0, Bê · 2.3.2.3 óng. H¢y xem x²t ð l¦n l°p thù k. • C¡c b÷îc (1a) v  (1b) óng l¦n l÷ñt do Bê · 2.3.2.1 v  Bê · 2.3.2.2. • C¡c b÷îc (1c) ¸n (1e) óng l  do t½nh khæng gi£m v  t½nh t«ng cõa h m z(.). • B÷îc (2a) óng v¼ x ∈ S(Gx). • B÷îc (2b) óng theo M»nh · 2.2.2.15. • B÷îc (2c) óng do (xbk−x) ∈ S(βk−Gx) v  h m z(.) khæng gi£m. Cö thº l  z(β −Gx) ≥ z(G(xb−x)) ≥ cT(bx−x) + 1 2(xb−x)TQ(xb−x), (2.29)

sau c¡c bi¸n êi ìn gi£n ta câ ÷ñc B§t ¯ng thùc n y. • B÷îc (2d) óng do x ∈ S(Gx) v  z(.) t«ng. Cö thº l 

z(β −Gx) ≤ z(Gxb)−z(Gx) ≤ z(Gbx)−cTx− 1

2x TQx.

V¼ vªy ta ¢ chùng minh ÷ñc Bê ·.

M»nh · 2.3.2.4. Thuªt to¡n t«ng ch°t ch³ l m xu§t hi»n giîi h¤n húu h¤n vîi nhúng ph÷ìng ¡n tèi ÷u cho z(.) vîi måi β ∈ B.

Chùng minh. Xem x²t ð b§t cù l¦n l°p k ≥ 1. Sau B÷îc 1, tçn t¤i ½t nh§t mët β ∈ B sao cho lk(β) = uk(β) = z(β) trong â lk−1(β) 6= z(β)

ho°c uk−1(β) 6= z(β). Theo Bê · 2.3.2.3, lk(β) ≤ z(β) ≤ uk(β) vîi måi β ∈ B t¤i b§t k¼ l¦n l°p k v  v¼ B húu h¤n n¶n ta câ k¸t qu£ tr¶n.

B¥y gií chóng tæi tr¼nh b y thuªt to¡n thù hai. Thuªt to¡n n y câ t¶n l : Thuªt to¡n theo ma trªn ÷íng ch²o Q 0.

Trong ph¦n n y ta gi£ ành Q = diag(q11, ..., qnn) 0 ngh¾a l  Q l  ma trªn ÷íng ch²o v  t§t c£ qii khæng ¥m. Do â, theo M»nh · 2.2.2.8 z(.)

t«ng. çng thíi ta gi£ thi¸t r¬ng G l  ma trªn khæng ¥m.

V¼ B húu h¤n n¶n s³ tçn t¤i B khæng ¥m thuëc B. °t b := (b1, ..., bm)

¤i di»n cho v²ctì lîn nh§t trong B. º d¹ gi£i th½ch ta °t B := B ∩Zm

+, cán B = {[0, b1]×[0, b2]×...×[0, bm]}. Ta dòng c¡c k½ hi»u t÷ìng tü trong thuªt to¡n 1.

Ti¸p theo ta tr¼nh b y mët sè k¸t qu£ ¢ ÷ñc nhi·u t¡c gi£ chùng minh (ch¯ng h¤n Gilmore v  Gomory) ÷ñc sû döng trong c¡c nëi dung ti¸p theo.

°t Bj ¤i di»n cho tªp hñp t§t c£ β ∈ B m  β ≥gj. M»nh · 2.3.2.5. Vîi måi β ∈ B\∪n

j=1Bj, ta câ ζ(β) = 0 v  z(β) = 0. ành lþ 2.3.2.6. èi vîi b§t k¼ β ∈ ∪n

j=1Bj, ta câ

ζ(β) = max{0, γj +ζ(β −gj)|gj ∈ B, j = 1, ..., n}. (2.30)

ành lþ n y câ thº mð rëng cho b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai tham sè (PQIP) vîi ma trªn ÷íng ch²o Q 0 nh÷ sau:

ành lþ 2.3.2.6'. èi vîi b§t ký βSn j=1Bj, °t z(β) = max µ;j=1,...,n n 0, cjµ+1 2qjjµ 2 +z(β−µgj) | µ∈ Z++, β−µgj ≥ 0, gj ∈ B o . (2.31)

Ng÷ñc vîi thuªt to¡n 1, thuªt to¡n d÷îi ¥y ch¿ ÷a ra ành ngh¾a l(.)

v  khæng gi£i b§t ký b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n bªc hai n o. Möc ½ch ch½nh cõa thuªt to¡n l  º bi¸n êi l(.) v  sû döng t½nh ch§t t«ng cõa z(.)

Thuªt to¡n 2 (Thuªt to¡n theo ma trªn ÷íng ch²o).

B÷îc 0: Khäi t¤o giîi h¤n d÷îi l0(β) = 0,∀β ∈ B. èi vîi j = 1, ...n, n¸u gj ∈ B, l0(µgj) ← max{l0(µgj), cjµ+ 12qjjµ2},∀µ m  b−µgj ≥ 0, µ ∈ Z+. Ch±n µgj v o danh s¡ch v²ctì L. °t l1(β) = l0(β) vîi måi β ∈ B. °t k ← 1.

B÷îc 1: Kþ hi»u v²ctì thù k ∈ L l  βk v  ph¦n tû thù i cõa v²ctì β b¬ng βi. °t β = βk. T¤o c¡c v²ctì β0 m  β0 ∈ B v  β0 ≥ βk vîi c¡c b÷îc d÷îi ¥y:

(1a) °t β1 ← β1 + 1 v  lk(β) ←max{lk(β), lk(βk) +lk(β −βk)}.

(1b) N¸u β1 ≥ b1 th¼ chuyºn ¸n B÷îc (1c), n¸u khæng th¼ trð l¤i B÷îc (1a). (1c) N¸u vîi måi i = 1, ..., m, βi ≥ bi th¼ chuyºn sang B÷îc 2. N¸u khæng, °t s = min{i : βi < bi}. °t βi ← βik vîi i = 1, ..., s − 1. °t βs ←βs + 1 v  qua trð l¤i B÷îc (1a).

B÷îc 2: N¸u k = |L| k¸t thóc b i to¡n vîi k¸t qu£ z(.) = lk(.). N¸u khæng °t lk+1(β) ← lk(β) vîi måi β ∈ B, °t k ← k + 1 v  quay trð l¤i B÷îc 1.

C¡c k¸t qu£ sau ¥y cho th§y ë phùc t¤p t½nh to¡n cõa thuªt to¡n 2. M»nh · 2.3.2.7. Thuªt to¡n ma trªn ÷íng ch²o Q cho ph÷ìng ¡n tèi ÷u vîi h m gi¡ trà z(.) ð B÷îc 0 câ nhi·u nh§t l  nµmax l¦n l°p.

Chùng minh. èi vîi b§t ký β ∈ B\ ∪n

j=1Bj , chóng ta b­t ¦u l0(β) = 0

trong B÷îc 0 v  khæng thay êi sau â.

Theo M»nh · 2.3.2.5 th¼ z(β) = 0 vîi β ∈ B\ ∪n j=1Bj.

Gi£ sû r¬ng thuªt to¡n k¸t thóc ð l¦n l°p k∗ = |L|. Sau â lk∗(β) = z(β)

vîi måiβ ∈ B\ ∪n

j=1Bj. Gi£ sû câ tçn t¤iβ ∈ B\ ∪n

j=1Bj m  lk∗(β) 6= z(β), v  vîi måi β0 ≤ β, β0 ∈ B \ ∪n

j=1Bj, ta câ lk∗(β0) = z(β0) th¼ rã r ng lk∗(β) < z(β) (theo Bê · 2.3.2.3). Do vªy tçn t¤i mët j∗ ∈ {1, ..., n} v  µ∗ ≥ sao cho lk∗(β) < cj∗µ∗ + 12qj∗j∗µ2∗ + z(β−gj∗µ∗) (theo Bê · 2.3.2.7).

Tø lk∗(gj∗µ∗) ≥ cj∗µ∗ + 12qj∗j∗µ2∗ v  lk∗(β − gj∗µ∗ = z(β − g∗µ∗)), suy ra lk∗(gj∗µ∗) +lk∗(β −gj∗µ∗) ≥ cj∗µ∗ + 12qj∗j∗µ2∗ +z(β −gj∗µ∗) > lk∗(β), i·u n y tr¡i vîi t½nh t«ng cõa lk∗(.). Do â lk∗(β) = z(β) vîi måi β ∈ ∪n

j=1Bj.

Tø â ch¿ ra r¬ng k∗ = |L| ≤ nµmax.

ành lþ 2.3.2.8. ë phùc t¤p thíi gian gi£i cõa thuªt to¡n ma trªn ÷íng ch²o Q l  O(nµmax|B|).

Chùng minh. B÷îc 0 ái häi t½nh O(nµmax). B÷îc 1 cõa thuªt to¡n ái häi t½nh O(|B|) lîn nh§t. V¼ B÷îc 1 ÷ñc thüc hi»n nµmax h¦u h¸t thíi gian n¶n têng thíi gian gi£i cõa thuªt to¡n l  O(nµmax|B|).

Thuªt to¡n 1 v  2 ¢ cho ta gi¡ trà h m möc ti¶u cõa b i to¡n theo tham sè β. Tø â câ thº suy ra ÷ñc ph÷ìng ¡n tèi ÷u cõa b i to¡n theo sü bi¸n êi cõa β ∈ B.

K¸t luªn

Luªn v«n ¢ n¶u ÷ñc mët sè nëi dung ch½nh nh÷ sau:

1. Tr¼nh b y mët c¡ch h» thèng nhúng kh¡i ni»m v  k¸t thùc cì sð v· lþ thuy¸t x¡c su§t, v· b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n ng¨u nhi¶n hai giai o¤n.

2. Tr¼nh b y ÷ñc c¡c t½nh ch§t cõa h m gi¡ trà cõa b i to¡n quy ho¤ch tuy¸n t½nh ng¨u nhi¶n tham sè v  b i to¡n quy ho¤ch nguy¶n ng¨u nhi¶n bªc hai ch÷a tham sè v¸ ph£i i·u ki»n buëc.

3. Tr¼nh b y ÷ñc c¡c t½nh ch§t cõa h m gi¡ trà b i to¡n ¢ cho.

4. N¶u ÷ñc 2 thuªt to¡n x¥y düng l¤i h m gi¡ trà ð giai o¤n hai. Tr¶n cì sð â · xu§t h÷îng ti¸p cªn gi£i.

· t i câ thº ÷ñc ti¸p töc nghi¶n cùu theo h÷îng:

Mð rëng x²t vîi mët sè b i to¡n thüc t¸ câ h¼nh thùc nh÷ b i to¡n

(P QIP) ¢ n¶u trong luªn v«n.

Nghi¶n cùu chi ti¸t thuªt to¡n gi£i, tr¶n cì sð c¡c thuªt to¡n ành d¤ng l¤i h m gi¡ trà.

T i li»u tham kh£o

[1]. Nguy¹n V«n Qu£ng (2007), Gi¡o tr¼nh x¡c su§t, NXB ¤i håc Quèc gia, H  Nëi.

[2]. Tr¦n Xu¥n Sinh (2004), C¡c ph÷ìng ph¡p ng¨u nhi¶n gi£i b i to¡n quy ho¤ch, ¤i håc Vinh.

[3]. Nguy¹n Duy Ti¸n - Vô Vi¸t Y¶n (2001), Lþ thuy¸t x¡c su§t, NXB Gi¡o döc, H  Nëi.

[4]. S. Ahmed, M. Tawarmalani, and N. V. Sahinidis, (2004), A finite branch and bound algorithm for two-stage stochastic integer programs, Mathemat- ical Programming, 100(2), 355-377.

[5]. Anand Bhalgat (2011), A (2 + ε)-Approximation Algorithm for the Stochastic Knapsack Problem; Department of Computer and Information Science, University of Pennsylvania, Philadelphia PA, 19104.

bhalgat@seas.upenn.edu

[6]. B. C. Dean, M. X. Goemans and J. Vondr¡k (2008), Approximating the Stochastic Knapsack Problem: The Benefit of Adaptivity, Mathematics of Operations Research Vol. 33, No. 4, November 2008, pp. 945-964, issn0364- 765X.eissn1526-5471.08.3304.0945.

[7]. N. Kong, A. J. Schaefer, and B. Hunsaker, (2006), Two-stage integer programs with stochastic right-hand sides: a superadditive dual approach, Math-ematical Programming, 108(2):275-296.

[8]. G. L. Nemhauser and L. A. Wolsey, (1988), Integer and Combinatorial Optimization, Wiley, NewYork, NY.

[9]. O. Y. Ozaltm, O. Prokopyev v  A. J. Schaefer, (2007), Two-Stage¨

Quadratic Integer Programs with Stochastic Right-Hand Sides, Department of Industrial Engineering, Uni. of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261 USA.

Một phần của tài liệu Lớp bài toán quy hoạch nguyên bậc hai với vế phải ràng buộc ngẫu nhiên (Trang 31)