Алгоритм Кнута X - Википедия - Knuths Algorithm X

Алгоритм X является алгоритм для решения точное покрытие проблема. Это простой рекурсивный, недетерминированный, в глубину, возврат алгоритм, используемый Дональд Кнут чтобы продемонстрировать эффективную реализацию под названием DLX, которая использует танцевальные ссылки техника.[1]

Задача точного покрытия представлена ​​в алгоритме X матрицей А состоящий из нулей и единиц. Цель состоит в том, чтобы выбрать такое подмножество строк, чтобы цифра 1 появлялась в каждом столбце ровно один раз.

Алгоритм X работает следующим образом:

  1. Если матрица А не имеет столбцов, текущее частичное решение является допустимым решением; завершиться успешно.
  2. В противном случае выберите столбец c (детерминированно ).
  3. Выберите строку р такой, что Ар, c = 1 (недетерминированно ).
  4. Включить строку р в частичном растворе.
  5. Для каждого столбца j такой, что Ар, j = 1,
    для каждой строки я такой, что Ая, j = 1,
    удалить строку я из матрицы А.
    удалить столбец j из матрицы А.
  6. Рекурсивно повторить этот алгоритм на приведенной матрице А.

Недетерминированный выбор р означает, что алгоритм рекурсивен по независимым подалгоритмам; каждый подалгоритм наследует текущую матрицу А, но уменьшает его относительно другой строки р.Если столбец c полностью равен нулю, подалгоритмов нет и процесс завершается неудачно.

Подалгоритмы образуют дерево поиска естественным образом, с изначальной проблемой в корне и с уровнем k содержащий каждый подалгоритм, соответствующий k выбранные строки. Обратное отслеживание - это процесс обхода дерева в предварительном порядке, сначала в глубину.

Любое систематическое правило выбора столбца c в этой процедуре будут найдены все решения, но некоторые правила работают намного лучше, чем другие. Чтобы уменьшить количество итераций, Кнут предлагает, чтобы алгоритм выбора столбца выбирал столбец с наименьшим количеством единиц в нем.

Пример

Например, рассмотрим проблему точного покрытия, заданную вселенной. U = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} и набор множеств = {А, B, C, D, E, F}, куда:

  • А = {1, 4, 7};
  • B = {1, 4};
  • C = {4, 5, 7};
  • D = {3, 5, 6};
  • E = {2, 3, 6, 7}; и
  • F = {2, 7}.

Эта проблема представлена ​​матрицей:

1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001

Алгоритм X с предложенной Кнутом эвристикой для выбора столбцов решает эту проблему следующим образом:

Уровень 0

Шаг 1 - матрица не пуста, поэтому алгоритм продолжается.

Шаг 2. Наименьшее количество единиц в любом столбце - два. Столбец 1 является первым столбцом с двумя единицами и, таким образом, выбран (детерминированно):

1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001

Шаг 3. Ряды А и B каждый из них имеет 1 в столбце 1 и, следовательно, выбран (недетерминированно).

Алгоритм переходит к первой ветви на уровне 1…

Уровень 1: выберите строку А
Шаг 4 - ряд А входит в частичное решение.
Шаг 5 - ряд А имеет 1 в столбцах 1, 4 и 7:
1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001
Столбец 1 имеет 1 в строках А и B; столбец 4 имеет 1 в строках А, B, и C; а столбец 7 имеет 1 в строках А, C, E, и F. Таким образом, строки А, B, C, E, и F удаляются и столбцы 1, 4 и 7 удаляются:
1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001
Ряд D остается и столбцы 2, 3, 5 и 6 остаются:
2356
D0111
Шаг 1 - матрица не пуста, поэтому алгоритм продолжается.
Шаг 2. Наименьшее количество единиц в любом столбце равно нулю, а столбец 2 - это первый столбец с нулевыми единицами:
2356
D0111
Таким образом, эта ветвь алгоритма завершается неудачно.
Алгоритм переходит к следующей ветви на уровне 1…
Уровень 1: выберите строку B
Шаг 4 - ряд B входит в частичное решение.
Ряд B имеет 1 в столбцах 1 и 4:
1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001
Столбец 1 имеет 1 в строках А и B; а столбец 4 имеет 1 в строках А, B, и C. Таким образом, строки А, B, и C удаляются и столбцы 1 и 4 удаляются:
1234567
А1001001
B1001000
C0001101
D0010110
E0110011
F0100001
Рядов D, E, и F остаются, а столбцы 2, 3, 5, 6 и 7 остаются:
23567
D01110
E11011
F10001
Шаг 1 - матрица не пуста, поэтому алгоритм продолжается.
Шаг 2 - Наименьшее количество единиц в любом столбце - единица. Столбец 5 является первым столбцом с единицей 1 и поэтому выбран (детерминированно):
23567
D01110
E11011
F10001
Шаг 3 - ряд D имеет 1 в столбце 5 и поэтому выбран (недетерминированно).
Алгоритм переходит к первой ветви на уровне 2…
Уровень 2: выберите строку D
Шаг 4 - ряд D входит в частичное решение.
Шаг 5 - ряд D имеет 1 в столбцах 3, 5 и 6:
23567
D01110
E11011
F10001
Столбец 3 имеет 1 в строках D и E; столбец 5 имеет 1 в строке D; а столбец 6 имеет 1 в строках D и E. Таким образом, строки D и E должны быть удалены и столбцы 3, 5 и 6 должны быть удалены:
23567
D01110
E11011
F10001
Ряд F остается и столбцы 2 и 7 остаются:
27
F11
Шаг 1 - матрица не пуста, поэтому алгоритм продолжается.
Шаг 2 - Наименьшее количество единиц в любом столбце - единица. Столбец 2 является первым столбцом с единицей 1 и поэтому выбран (детерминированно).
Ряд F имеет 1 в столбце 2 и поэтому выбран (недетерминированно).
Алгоритм переходит к первой ветви на уровне 3…
Уровень 3: выберите строку F
Шаг 4 - ряд F входит в частичное решение.
Ряд F имеет 1 в столбцах 2 и 7:
27
F11
Столбец 2 имеет 1 в строке F; а столбец 7 имеет 1 в строке F. Таким образом строка F удалить и столбцы 2 и 7 удалить:
27
F11
Шаг 1 - матрица пуста, поэтому эта ветвь алгоритма успешно завершается.
Рядами B, D, и F выбраны, окончательное решение:
1234567
B1001000
D0010110
F0100001
Другими словами, подколлекция {B, D, F} является точным покрытием, поскольку каждый элемент содержится ровно в одном из множеств B = {1, 4}, D = {3, 5, 6} или F = {2, 7}.
На уровне 3 больше нет выбранных строк, поэтому алгоритм переходит к следующей ветви на уровне 2…
На уровне 2 больше нет выбранных строк, поэтому алгоритм переходит к следующей ветви на уровне 1…
На уровне 1 больше нет выбранных строк, поэтому алгоритм переходит к следующей ветви на уровне 0…

На уровне 0 нет ветвей, поэтому алгоритм завершается.

Таким образом, алгоритм определяет, что существует только одно точное покрытие: = {B, D, F}.

Реализации

Дональд Кнут Основная цель описания алгоритма X заключалась в демонстрации полезности ссылки на танцы. Кнут показал, что алгоритм X может быть эффективно реализован на компьютере, используя танцующие ссылки в процессе, который Кнут называет. "DLX". DLX использует матричное представление точное покрытие проблема, реализованная как двусвязные списки единиц матрицы: каждый 1 элемент имеет ссылку на следующую 1 сверху, снизу, слева и справа от себя. (Технически, поскольку списки круглые, это формирует тор ). Поскольку проблемы с точным покрытием обычно редки, такое представление обычно намного эффективнее как по размеру, так и по времени обработки. Затем DLX использует «танцующие» ссылки для быстрого выбора перестановок строк в качестве возможных решений и для эффективного отслеживания (отмены) ошибочных предположений.[1]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Кнут, Дональд (2000). «Танцующие звенья». arXiv:cs / 0011047.
  • Кнут, Дональд Э. (2000), «Танцующие звенья», Дэвис, Джим; Роско, Билл; Вудкок, Джим (ред.), Перспективы тысячелетия в компьютерных науках: материалы симпозиума Оксфорд-Майкрософт 1999 г. в честь сэра Тони Хора, Palgrave, стр. 187–214, arXiv:cs / 0011047, Bibcode:2000cs ....... 11047K, ISBN  978-0-333-92230-9.

внешняя ссылка