Этапы динамического программирования. Динамическое программирование для начинающих. Двумерное динамическое программирование

Суть метода динамического программирования………………………..4

Пример решения задачи методом динамического программирования………………………………………………………...7

Список используемых источников……………………………………...11

1. Динамическое программирование. Основные понятия.

Динамическое программирование (ДП) втеории вычислительных систем- способ решения сложных задач путём разбиения их на более простые подзадачи. Он применим к задачам соптимальной подструктурой, выглядящим как набор перекрывающихся подзадач, сложность которых чуть меньше исходной. В этом случае время вычислений, по сравнению с «наивными» методами, можно значительно сократить.

Ключевая идея в динамическом программировании достаточно проста. Как правило, чтобы решить поставленную задачу, требуется решить отдельные части задачи (подзадачи), после чего объединить решения подзадач в одно общее решение. Часто многие из этих подзадач одинаковы. Подход динамического программирования состоит в том, чтобы решить каждую подзадачу только один раз, сократив тем самым количество вычислений. Это особенно полезно в случаях, когда число повторяющихся подзадач экспоненциально велико.

Динамическое программирование представляет собой математический аппарат, который подходит к решению некоторого класса задач путем их разложения на части, небольшие и менее сложные задачи. При этом отличительной особенностью является решение задач по этапам, через фиксированные интервалы, промежутки времени, что и определило появление термина динамическое программирование. Следует заметить, что методы динамического программирования успешно применяются и при решении задач, в которых фактор времени не учитывается. В целом математический аппарат можно представить как пошаговое или поэтапное программирование. Решение задач методами динамического программирования проводится на основе сформулированного Р. Э. Беллманом принципа оптимальности: оптимальное поведение обладает тем свойством, что каким бы ни было первоначальное состояние системы и первоначальное решение, последующее решение должно определять оптимальное поведение относительно состояния, полученного в результате первоначального решения. Из этого следует, что планирование каждого шага должно проводиться с учетом общей выгоды, получаемой по завершении всего процесса, что и позволяет оптимизировать конечный результат по выбранному критерию.

Таким образом, динамическое программирование в широком смысле представляет собой оптимальное управление процессом, посредством изменения управляемых параметров на каждом шаге, и, следовательно, воздействуя на ход процесса, изменяя на каждом шаге состояние системы. В целом динамическое программирование представляет собой стройную теорию для восприятия и достаточно простую для применения в коммерческой деятельности при решении как линейных, так и нелинейных задач.

Динамическое программирование является одним из разделов оптимального программирования. Для него характерны специфические методы и приемы, применительные к операциям, в которых процесс принятия решения разбит на этапы (шаги). Методами динамического программирования решаются вариантные оптимизационные задачи с заданными критериями оптимальности, с определенными связями между переменными и целевой функцией, выраженными системой уравнений или неравенств. При этом, как и в задачах, решаемых методами линейного программирования, ограничения могут быть даны в виде равенств или неравенств. Однако если в задачах линейного программирования зависимости между критериальной функцией и переменными обязательно линейны, то в задачах динамического программирования эти зависимости могут иметь еще и нелинейный характер. Динамическое программирование можно использовать как для решения задач, связанных с динамикой процесса или системы, так и для статических задач, связанных, например, с распределением ресурсов. Это значительно расширяет область применения динамического программирования для решения задач управления. А возможность упрощения процесса решения, которая достигается за счет ограничения области и количества, исследуемых при переходе к очередному этапу вариантов, увеличивает достоинства этого комплекса методов.

Вместе с тем динамическому программированию свойственны и недостатки. Прежде всего, в нем нет единого универсального метода решения. Практически каждая задача, решаемая этим методом, характеризуется своими особенностями и требует проведения поиска наиболее приемлемой совокупности методов для ее решения. Кроме того, большие объемы и трудоемкость решения многошаговых задач, имеющих множество состояний, приводят к необходимости отбора задач малой размерности либо использования сжатой информации. Последнее достигается с помощью методов анализа вариантов и переработки списка состояний.

Для процессов с непрерывным временем динамическое программирование рассматривается как предельный вариант дискретной схемы решения. Получаемые при этом результаты практически совпадают с теми, которые получаются методами максимума Л. С. Понтрягина или Гамильтона-Якоби-Беллмана.

Динамическое программирование применяется для решения задач, в которых поиск оптимума возможен при поэтапном подходе, например, распределение дефицитных капитальных вложений между новыми направлениями их использования; разработка правил управления спросом или запасами, устанавливающими момент пополнения запаса и размер пополняющего заказа; разработка принципов календарного планирования производства и выравнивания занятости в условиях колеблющегося спроса на продукцию; составление календарных планов текущего и капитального ремонтов оборудования и его замены; поиск кратчайших расстояний на транспортной сети; формирование последовательности развития коммерческой операции и т. д.

Динамическое программирование представляет собой математический аппарат, позволяющий быстро находить оптимальное решение в случае, когда анализируемая ситуация не содержит факторов неопределенности, но имеется большое количество вариантов поведения, приносящих различные результаты, среди которых необходимо выбрать наилучший. Динамическое программирование подходит к решению некоторого класса задач путем их разложения на небольшие и менее сложные задачи. В принципе, задачи такого рода могут быть решены путем простого перебора всех возможных вариантов и выбора среди них наилучшего, однако часто такой перебор весьма затруднителен. В таких случаях процесс принятия оптимального решения может быть разбит на шаги (этапы) и исследован с помощью метода динамического программирования.

Решение задач методами динамического программирования проводится на основе сформулированного Р. Э. Беллманом принципа оптимальности: оптимальное поведение обладает тем свойством, что каким бы не было первоначальное поведение системы и первоначальное решение, последующее решение должно определять оптимальное поведение относительно состояния, полученного в результате первоначального решения.

Таким образом, планирование каждого шага должно проводиться с учетом общей выгоды, получаемой по завершении всего процесса, что и позволяет оптимизировать конечный результат по выбранному критерию.

Вместе с тем динамическое программирование не является универсальным методом решения. Практическая каждая задача, решаемая этим методом, характеризуется своими особенностями и требует проведения поиска наиболее приемлемой совокупности методов ее решения. Кроме того, большие объемы и трудоемкость решения многошаговых задач, имеющих множество состояний, приводят к необходимости отбора задач малой размерности либо использования сжатой информации.

Динамическое программирование применяется для решения таких задач, как: распределение дефицитных капитальных вложений между новыми направлениями их использования; разработка правил управления спросом или запасами; разработка принципов календарного планирования производства и выравнивания занятости в условиях колеблющегося спроса на продукцию, составления календарных планов текущего и капитального ремонтов оборудования и его замены; поиск кратчайших расстояний на транспортной сети; формирования последовательности развития коммерческой операции и т. д.

Пусть процесс оптимизации разбит на n шагов. На каждом шаге необходимо определить два типа переменных – переменную состояния S и переменную управления X . Переменная определяет, в каких состояниях может оказаться система на данном k -м шаге. В зависимости от на этом шаге можно применить некоторые управления, которые характеризуются переменной . Применение управления на k -м шаге приносит некоторый результат и переводит систему в некоторое новое состояние . Для каждого возможного состояния на k -м шаге среди всех возможных управлений выбирается оптимальное управление такое, чтобы результат, который достигается за шаги сk -го по n -й оказался оптимальным. Числовая характеристика этого результата называется функцией Беллмана и зависит от номера шага k и состояния системы .

Всё решение задачи разбивается на два этапа. На первом этапе, который называют условной оптимизацией ,отыскивается функция Беллмана и оптимальные управления для всех возможных состояний на каждом шаге, начиная с последнего.

После того, как функция Беллмана и соответствующие оптимальные управления найдены для всех шагов с n -го по первый, производится второй этап решения задачи, который называется безусловной оптимизацией .

В общем случае задача динамического программирования формулируется следующим образом: требуется определить такое управление , переводящее систему из начального состоянияв конечное состояние, при котором целевая функция
принимает наибольшее (наименьшее) значение.

Особенности математической модели динамического программирования заключаются в следующем:

задача оптимизации формулируется как конечный многошаговый процесс управления;

целевая функция (выигрыш) является аддитивной и равна сумме целевых функций каждого шага:

Условная оптимизация. Как уже отмечалось выше, на данном этапе отыскиваются функция Беллмана и оптимальное управление для всех возможных состояний на каждом шаге, начиная с последнего в соответствии с алгоритмом обратной прогонки. На последнем n -м шаге найти оптимальное управление и значение функции Беллмана не сложно, так как , где максимум берется по всем возможным значениям .

Дальнейшее вычисление производится согласно рекуррентному соотношению, связывающему функцию Беллмана на каждом шаге с этой же функцией, но вычисленной на предыдущем шаге:

Этот максимум (или минимум) определяется по всем возможным для k и S значениям переменной управления X .

Безусловная оптимизация. После того, как функция Беллмана и соответствующие оптимальные управления найдены для всех шагов с n -го по первый (на первом шаге k =1 состояние системы равно ее начальному состоянию ), осуществляется второй этап решения задачи. Находится оптимальное управление на первом шаге, применение которого переведет систему в состояние
, зная которое можно, пользуясь результатами условной оптимизации, найти оптимальное управление на втором шаге, и так далее до последнегоn -го шага.

Рассмотрим примеры решения трех задач с использованием динамического программирования, содержание которых требует выбора переменных состояния и управления.

Раздел Динамическое программирование представлен следующими калькуляторами:

1. Задача распределения инвестиций . Для реконструкции и модернизации производства на четырех предприятиях выделены денежные средства С = 80 ден. ед. По каждому предприятию известен возможный прирост f i (х) (i = 1, 4) выпуска продукции в зависимости от выделенной суммы.

В задачах динамического программирования экономический процесс зависит от времени (или от нескольких периодов времени), поэтому находится ряд оптимальных решений (последовательно для каждого этапа), обеспечивающих оптимальное развитие всего процесса в целом. Динамическое программирование представляет собой математический аппарат, позволяющий осуществлять оптимальное планирование управляемых процессов и процессов, зависящих от времени. Поэтапное проведение оптимизации называется многошаговым процессом принятия решения. Экономический процесс называется управляемым, если можно влиять на ход его развития.

В основе метода динамического программирования (ДП) лежит принцип последовательной оптимизации: решение исходной задачи оптимизации большой размерности заменяется решением последовательности задач оптимизации малой размерности. Основным условием применимости метода ДП является возможность разбиения процесса принятия решений на ряд однотипных шагов или этапов, каждый из которых планируется отдельно, но с учетом результатов, полученных на других шагах. Например, деятельность отрасли промышленности в течение ряда хозяйственных лет или же последовательность тестов, применяемых при контроле аппаратуры, и т. д. Некоторые процессы (операции) расчленяются на шаги естественно, но существуют такие операции, которые приходится делить на этапы искусственно, например процесс наведения ракеты на цель.
Этот принцип гарантирует, что управление, выбранное на любом шаге, является не локально лучшим, а лучшим с точки зрения процесса в целом, так как это управление выбирается с учетом последствий на предстоящих шагах.

Рассмотрим общее описание задачи динамического программирования .
Пусть многошаговый процесс принятия решений разбивается на n шагов. Обозначим через ε 0 – начальное состояние системы, через ε 1 , ε 2 , … ε n – состояния системы после первого, второго, n -го шага. В общем случае состояние ε k – вектор (ε k 1 , …, ε k s ).
Управлением в многошаговом процессе называется совокупность решений (управляющих переменных) u k = (u k 1 , ..., u k r ), принимаемых на каждом шаге k и переводящих систему из состояния ε k -1 = (ε k- 1 1 , …, ε k -1 s ) в состояние ε k = (ε k 1 , …, ε k s ).
В экономических процессах управление заключается в распределении и перераспределении средств на каждом этапе. Например, выпуск продукции любым предприятием – управляемый процесс, так как он определяется изменением состава оборудования, объемом поставок сырья, величиной финансирования и т. д. Совокупность решений, принимаемых в начале года, планируемого периода, по обеспечению предприятия сырьем, замене оборудования, размерам финансирования и т. д. является управлением. Казалось бы, для получения максимального объема выпускаемой продукции проще всего вложить максимально возможное количество средств и использовать на полную мощность оборудование. Но это привело бы к быстрому изнашиванию оборудования и, как следствие, к уменьшению выпуска продукции. Следовательно, выпуск продукции надо спланировать так, чтобы избежать нежелательных эффектов. Необходимо предусмотреть мероприятия, обеспечивающие пополнение оборудования по мере изнашивания, т. е. по периодам времени. Последнее хотя и приводит к уменьшению первоначального объема выпускаемой продукции, но обеспечивает в дальнейшем возможность расширения производства. Таким образом, экономический процесс выпуска продукции можно считать состоящим из нескольких этапов (шагов), на каждом из которых осуществляется влияние на его развитие.
Началом этапа (шага) управляемого процесса считается момент принятия решения (о величине капитальных вложений, о замене оборудования определенного вида и т. д.). Под этапом обычно понимают хозяйственный год.
Обычно на управление на каждом шаге u k накладываются некоторые ограничения. Управления, удовлетворяющие этим ограничениям, называются допустимыми.
Предполагая, что показатель эффективности k -го шага процесса зависит от начального состояния на этом шаге k -1 и от управления на этом шаге u k , получим целевую функцию всего многошагового процесса в виде:
.

Сформулируем теперь задачу динамического программирования : «Определить совокупность допустимых управлений (u 1 , …, u n ), переводящих систему из начального состояния ε 0 в конечное состояние ε n и максимизирующих или минимизирующих показатель эффективности F ».
Управление, при котором достигается максимум (минимум) функции F называется оптимальным управлением u * = (u 1* ,…, u n *).
Если переменные управления u k принимают дискретные значения, то модель ДП называется дискретной . Если переменные u k изменяются непрерывно, то модель ДП называется непрерывной .
В зависимости от числа параметров состояния s и числа управляющих переменных r различают одномерные и многомерные задачи ДП.
Число шагов в задаче может быть конечным или бесконечным .

Прикладные задачи динамического программирования

1. задача о планировании строительства объектов.

На уроке будет рассмотрено понятие динамического программирования и исторический аспект его появления. Рассмотрены задачи динамического программирования и некоторые примеры их решения

Само понятие «динамическое программирование» впервые было использовано в 1940-х годах Ричардом Беллманом для описания процесса нахождения решения задачи, где ответ на одну задачу может быть получен только после решения другой задачи, «предшествующей» ей.
Таким образом, американский математик и один из ведущих специалистов в области математики и вычислительной техники — Ричард Эрнст Беллман — стал прородителем динамического программирования.

Позднее формулировка понятия была доработана и усовершенствованна до современного вида самим же Беллманом.

Слово «программирование» в контексте «динамическое программирование» на самом деле к классическому пониманию программирования (написанию кода на языке программирования) практически никакого отношения не имеет . Слово «Программирование» имеет такой же смысл как в словосочетании «математическое программирование», которое является синонимом слова «оптимизация».

Поэтому программы будут использоваться в качестве оптимальной последовательности действий для получения решения задачи.

В общем же для начала, неформальное определение понятия динамического программирования может звучать так:

Динамическое программирование — это техника или метод, которая позволяет решать некоторые задачи комбинаторики, оптимизации и другие задачи, обладающие определенным свойством (свойством сооптимальности у подзадач).

Задачи оптимизации , как правило, связаны с задачей максимизации или минимизации той или иной целевой функции (например, максимизировать вероятность того, что система не сломается, максимизировать мат. ожидание получения прибыли и т.д.).

Задачи комбинаторики , как правило, отвечают на вопрос, сколько существует объектов, обладающих теми или иными свойствами, или сколько существует комбинаторных объектов, обладающих заданными свойствами.

То есть, ДП решает не все задачи, а лишь некоторые, определенный класс подзадач. Но этот класс подзадачи используется во многих областях знаний: программирование, математика, лингвистика, статистика, теория игр, экономика, в компьютерных науках и т.п.

Задачи, решаемые при помощи динамического программирования, должны обладать свойством сооптимальности , о котором будет сказано в дальнейших уроках.

Неформальное объяснение свойства оптимальности у подзадач может быть продемонстрировано с помощью диаграммы:
Есть задача, которую мы хотим решить при помощи ДП, т.е. найти какой-то план ее решения. Допустим эта задача сложна и сразу решить мы ее не можем. Мы берем малую подзадачу и решаем сначала ее (для x1). Затем используя это малое решение x1 , и не меняя структуру этого решения, решаем следующую задачу уже с x1 и x2 . И т.д.

Рис. 1.1. Неформальное объяснение свойства оптимальности у подзадач

Более подробно неформальное объяснение рассматривается .

Примеры, решаемых при помощи динамического программирования задач

Сначала рассмотрим задачи оптимизации (задачи 1-5):

1. Маршрут оптимальной длины

Пример: Есть некоторая карта дорог, представленная в виде графа. Наша цель: добраться из пункта А в пункт Б . Это сделать надо так, чтобы минимизировать расстояние или потраченное топливо.

Целевой функцией здесь является расстояние от А до Б . Т.е. наша цель — минимизировать расстояние.

А что является переменной выбора ? Для того, чтобы найти кратчайший путь, надо каждый раз принимать решения. Т.е. в каждой точке или на каждом перекрестке необходимо принимать решения: куда повернуть или ехать прямо.

Важно: Из этой задачи уже можно увидеть общую структуру задач, решаемых при помощи динамического программирования: в каждой задаче есть целевая функция и переменная выбора .

2. Замена машины (минимизация расходов)

Пример: Каждый год мы принимаем решение, ездить ли на старой машине еще год и понести при этом издержки на поддержку и обслуживание старой машины или же продать эту машину и купить новую (и понести при этом издержки на покупку).

Целевая функция: минимизация расходов (либо на издержки на поддержку старого автомобиля, либо на покупку нового).

Переменная выбора: каждый год принимать решение продать машину или оставить.

3. Биржевой портфель

Пример: Игра на бирже, приобретение акций каких-либо компаний


Целевая функция: максимизация средних доходов, т.к. на бирже доход получается вероятностным путем, т.е. это статистический процесс, вероятностный.

Переменная выбора: то, какой портфель вложений будет: сколько акций и какой фирмы нам необходимо купить.

4. Составление плана оптимального производства (логистика)

Пример: Есть завод, изготавливающий мебель. На заводе работает определенное количество работников, которые могут изготовить соответствующее кол-во определенной мебели (стулья, столы, шкафы и т.п.)


Целевая функция : максимизация прибыли.

Переменная выбора: выбор того, сколько необходимо изготовить стульев или столов, чтобы хватило рабочей силы.

5. Игры (вероятностные или не вероятностные)

Пример: Участие в различных играх


Целевая функция: максимизация вероятности выигрыша или максимизация среднего выигрыша и т.д.

Переменная выбора здесь зависит от конкретной игры.

Задачи 1 — 5 — это примеры задач оптимизации.

Комбинаторика:

6. Графы и деревья

Пример: Задача на решение того, сколько существует деревьев, у которых определенное число листьев; или сколько существует графов для решения такого-то задания и т.п.

7. Задача о размене монет или количество способов вернуть сдачу

Пример: Есть монеты разного достоинства, какими способами можно вернуть сдачу.

Это краткое описание задач для динамического программирования, которые подробно будут рассмотрены позднее.

Понятие динамического программирования

Неформальное объяснение оптимальности подзадач ДП.

Рассмотрим неформальную идею ДП.

Итак, возьмем пример с заводом, изготавливающим мебель.

Для достижения цели максимизации прибыли необходимо решить множество подзадач:

• сколько стульев произвести — переменная X1 ,
• сколько столов произвести — переменная X2 ,
• сколько нанять работников — переменная X3 ,
• … Хn .

При большом количестве подзадач сложно понять, как решать такую задачу. Как правило, решить одну малую задачу проще, чем решить большую задачу , состоящую из маленьких.

Поэтому ДП предлагает следующее:

• берем одну подзадачу с переменной X1 , об остальных подзадачах пока забываем.

Например, завод производит только стулья. У директора стоит задача получения максимальной прибыли с продажи стульев.

• После того, как найдем оптимальное решение для первой подзадачи, берем подзадачу для двух переменных Х1 и Х2 , и решаем ее с помощью уже найденного решения для первой подзадачи .
• Получаем решение уже для большей подзадачи, где фигурируют переменные Х1 и Х2 . Затем, используя полученное решение, берем подзадачи, охватывающие X1 , X2 и Х3 .
• И так продолжаем пока не получим решение для всей общей задачи.

Формальная идея ДП

Часто при постановке задачи кажущимся оптимальным решением является перебор всех возможных вариантов . Однако, вследствии очень большого количества таких вариантов и, как результат, перегрузки памяти компьютера, такой способ не всегда приемлем.

Кроме того, может возникнуть такой вопрос: для того чтобы найти, например, минимум или максимум, почему бы нам не найти производную? или не использовать множества Ла-Гранжа, или другие методы аппарата математического анализа? Зачем нужно ДП, если есть большой арсенал средств?

Дело в том, что:

В основе динамического программирования лежит идея решения поставленной задачи путем деления ее на отдельные части (подзадачи, этапы), решение этих подзадач и последующего объединения этих решений в одно общее решение. Часто большинство из подзадач абсолютно одинаковы.

При этом важно, что при решении более сложной задачи, мы не решаем заново маленькую подзадачу, а используем уже решенный ответ этой подзадачи.
На графике это может выглядеть так:

Важно: По этой причине разделение задачи на подзадачи и решение этих подзадач только один раз (!) , сокращая этим количество общих вычислений — более оптимальный способ, который и заложен в динамическом программировании

Когда мы решаем задачу с производными, множествами Ла-Гранжа и т.п., то мы работаем с непрерывными функциями. При решении же задач ДП мы будем работать в основном с дискретными функциями, поэтому говорить здесь о применении непрерывных функций неуместно.
По этой причине во многих задачах, но не во всех, применение аппарата математического анализа будет неприемлемым.

Простой пример решения задач при помощи ДП

Рассмотрим вариант решения задачи с помощью динамического программирования.

Пример: Необходимо вычислить сумму n чисел: 1 + 2 + 3 + ... + n

В чем состоит якобы «сложность» данной задачи: в том, что необходимо сразу взять большое количество чисел и получить ответ.

Попробуем применить к задаче идеи ДП и решить ее, разбивая на простые подзадачи.
(В ДП всегда необходимо сначала определить начальные условия или условие)

• Начнем с суммы одного первого элемента, т.е. просто берем первый элемент:
  F(1) = 1
• теперь с помощью решения для первого элемента, решим
  F(2) = F(1) + 2 = 1 + 2 = 3 , т.е. надо взять сумму первого элемента и добавить к нему второй элемент
• F(3) = F(2) + 3 = 6
• по аналогии продолжаем и получаем целевую функцию:
  F(n) = F(n-1) + An

Итак, что мы сделали: определили порядок и вычленили подзадачи, затем решили каждую из них, опираясь на решение предыдущей.

Простой пример, где пока неоправданно используется ДП (искусственно), демонстрирует принцип идей ДП.

Рассмотрим еще один пример.

Пример: имеется лесенка из n ступенек, перед которой находится человек, который за 1 шаг умеет подниматься либо на следующую ступеньку, либо перепрыгивает через одну ступеньку. Вопрос: сколькими способами он может попасть на последнюю ступеньку?

Решение:

Рассмотрим самые простые варианты (подзадачи):

Рассмотрим пример из i ступенек

Как мы можем попасть на i ступеньку:

1. с i-1 ступеньки, а на i-1 ступеньку мы могли попасть a i-1 способами
2. с i-2 ступеньки, а на i-2 ступеньку мы могли попасть a i-2 способами

Например, как попасть на 4-ю ступеньку :

Т.о., общее количество способов попасть на i ступеньку:
f(a i) = f(a i-1) + f(a i-2)

Определим начальные значения , с которых следует начинать решать задачу.
Если начинать с 1, то формула соответствует нахождению последовательности чисел Фибоначчи.

Мы видим, что задача по сути комбинаторная (т.е. количество способов сделать что-либо) свелась к вычислению некоторой рекуррентной последовательности.

Задание 1: реализовать пример для первых десяти ступенек (по сути, первые 10 чисел ряда Фибоначчи), используя рекурсию.

Дополните код:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

var c: integer ; procedure getKolSposob(i, n: integer ) ; begin writeln (i+ n, " " ) ; inc(c) ; if ... then getKolSposob(...,... ) end ; begin c: = 1 ; getKolSposob(0 , 1 ) ; end .

var c:integer; procedure getKolSposob(i,n: integer); begin writeln (i+n," "); inc(c); if ... then getKolSposob(...,...) end; begin c:=1; getKolSposob(0,1); end.

Задание 2:
Решение 15-го типа заданий ЕГЭ (Графы. Поиск количества путей).