Смотреть страницы где упоминается термин метод венгерский. Венгерский алгоритм решения задачи о назначениях

Рассмотрим следующий пример. Пусть для выполнения пяти различных работ имеется пять человек. Из отчетных данных известно, какое время требуется каждому из них для выполнения каждой работы. Эти данные приведены в таблице.

В данном случае величины представляют собой затраты времени каждого работника на выполнение каждой из работ, а величины равны либо 1, либо 0, причем равен 1, если работник i назначен на работу j, и 0 во всех остальных случаях. Таким образом задача сводится к минимизации функции. стоимость маршрут линейный программирование

при следующих ограничениях.

Ясно, что если отбросить последнее условие и заменить его условием

То получается транспортная задача, в которой все потребности и все ресурсы равны единице. В оптимальном решении все равны либо целому числу, либо нулю, причем единственным возможным целым является единица. Таким образом, решение транспортной задачи при этих условиях всегда приводит к равенству.

Однако вследствие вырожденности методы решения транспортных задач в случае задачи о назначении оказываются малоэффективными. При любом назначении всегда автоматически совпадают поставки по строке со спросом по столбцу и поэтому вместо 2n-1 получаем n ненулывых значений. В связи с этим необходимо заполнить матрицу n-1 величинами е, и может оказаться, что ненулевые значения определяют оптимальное решение, однако проверка его не обнаруживает, так как величины е расставлены неверно.

Метод решения задачи о назначении основан на двух довольно очевидных теоремах. Первая из них утверждает, что решение не изменится, если прибавить к любому столбцу или строке матрицы некоторую константу или вычесть ее из них. Эта теорема точно формулируется следующим образом:

Теорема 1.

Если минимизирует

по всем, таким что и

то минимизирует также функционал

где при всех

Теорема 2.

Если все и можно отыскать набор такой, что

то это решение оптимально.

Вторая теорема очевидна. Для доказательства первой теоремы заметим, что

Вследствие того что величины, вычитаемые из Z с целью получения, не зависят от, достигает минимума всегда, когда минимизируется Z, и наоборот.

Разработанный метод решения сводится к прибавлению констант к строкам и столбцам и вычитанию их из строк и столбцов до тех пор, пока достаточное число величин не обращается в нуль, что дает решение, равное нулю.

Отыскание решения начинают, вычитая наименьший элемент из каждой строки, а затем из каждого столбца. В таблице даны результаты для приведенного выше примера.

Таблица А)

Таблица Б)

Из столбцов и строк было вычтено всего 10 единиц. Поэтому для правильной оценки любого решения, получаемого при использовании таблицы (Б), необходимо прибавить к результату 10 единиц

Прежде всего стремятся отыскать решение, включающее лишь те клетки таблицы (Б),в которых стоят нулевые элементы, поскольку такое решение, если его удается найти, будет наилучшим из всех возможных. Однако встречаются случаи, когда несколько решений имеют одинаковое качество. Допустимое решение помечено в таблице (Б) скобками. Однако, для того чтобы определить, возможно ли улучшение решения, применяется следующий алгоритм.

Заметим предварительно, что любое дальнейшее вычитание из строки или столбца, хотя и может приводить к появлению новых нулей, неизбежно приводит в появлению отрицательных элементов, так что нулевое решение теперь не обязательно будет оптимальным. Однако отрицательные элементы можно исключить, прибавляя соответствующие числа к строкам или столбцам. Так например, если вычесть 2 из столбца 1 в таблице (Б), то в строке 1 появится элемент - 2. Если теперь прибавить 2 к строке 1, то вновь получим матрицу с неотрицательными элементами. Задача заключается в том, чтобы получать новые нули указанным способом, но вместе с тем в конечном счете получить матрицу, содержащую решение среди одних нулей. Можно доказать, что описываемый ниже алгоритм обеспечивает решение этой задачи.

1. Провести минимальное число горизонтальных и вертикальных прямых, пересекающих по крайней мере один раз все нули. Выполнение этого шага для таблицы (Б) дает результат в таблице 1.

Таблица 1

Заметим, что в данном случае используется только четыре линии, а следовательно, нулевые клетки не содержат оптимального решения.

• 2. Выбрать наименьший элемент, через который не проведена линия. В примере это 1 в клетке (5,2).
• 3. Вычесть это число из всех элементов, через которые не проведена ни одна линия, и прибавить его ко всем элементам, через которые проведены две линии. В данном примере получается результат, показанный в таблице 2.

Таблица 2

Этот шаг должен приводить к появлению нуля в клетке, где его ранее не было. В рассматриваемом примере это клетка (5,2).

4. Определить, имеется ли решение среди нового набора нулей. Если решение не обнаруживается (в данном примере оно отсутствует), то вернуться к шагу 1 и выполнить все последующие шаги, пока не будет найдено решение. продолжая рассматривать данный пример, получаем результат, приведенный в таблице 3.

Таблица 3

В этой таблице уже содержится решение, помеченное скобками и имеющее значение 13, что на 1 лучше исходного допустимого решения. , .

Пример 2.

Представлено четыре студента и четыре вида работ. Следующая таблица соответствует матрице стоимостей для этой задачи.

Выполним первый шаг алгоритма.

Теперь вычтем минимальные стоимости из элементов соответствующих строк.

На втором шаге алгоритма находим минимальные значения по столбцам и вычитаем их из элементов соответствующих столбцов. В результате получим матрицу, представленную в следующей таблице.

В последней матрице расположение нулевых элементов не позволяет назначить каждому ребенку одну работу. Например, если мы назначим Даше уборку гаража, из дальнейшего рассмотрения исключается первый столбец и тогда, в строке Аллы не окажется нулевых элементов.

• 1) В последней матрице проведем минимальное число горизонтальных и вертикальных прямых по строкам и столбцам с тем, чтобы вычеркнуть все нулевые элементы.
• 2) Найдем наименьший невычеркнутый элемент и вычтем его из остальных невычеркнутых элементов и прибавим к элементам, стоящим на пересечении проведенных прямых.

В задаче данного примера требуется провести три прямых, это приводит к следующей таблице:

Наименьший невычеркнутый элемент равен 1. Этот элемент вычитаем из остальных невычеркнутых элементов и прибавляем к элементам, стоящим на пересечении прямых. В результате получим матрицу, представленную в следующей таблице.

Оптимальное решение, показанное в таблице, предлагает Даше убрать гараж, Кате стричь газоны, Алле мыть машины, а Саше выгуливать собак. Соответствующее значение целевой функции равно 1+10+5+5=21. Такое же значение можно получить путем суммирования значений и и значения элемента, наименьшего среди всех невычеркнутых.

Теорема 1.

Для того чтобы вариант назначения был оптимальным, необходимо и достаточно существование чисел таких, что

для из базиса

Метод потенциалов

Значения переменных можно расставить произвольно, например, методом максимального элемента или методом Фогеля. Для вычисления потенциалов необходимо, чтобы число базисных переменных было равно . Поэтому в число базисных переменных введем базисных нулей. Последние должны быть расставлены так, чтобы базисные элементы матрицы не образовывали циклов.

Вычисляются потенциалы, затем для небазисных пар индексов определяются оценки по формуле

Если все оценки неотрицательны , то процесс окончен: совокупность переменных соответствует оптимальному варианту назначения. Если имеются отрицательные оценки , то вариант выбора не является оптимальным и его следует улучшить. Для этого находим наименьшую отрицательную оценку (пусть это будет и строим цикл пересчета, который замыкается на разрешающей клетке .

Означим вершины цикла: начиная с вершины в разрешающей клетке, ставим знак «+», следующей вершине присваиваем знак «-» и так далее, поочередно, пока не пройдем все вершины. Определяем величину корректировки , которая равна минимальному значению переменной из переменных , принадлежащих вершинам отрицательного полуцикла. Далее вносим изменения в наш вариант назначения: переменные из отрицательного полуцикла уменьшаем на , переменные из положительного полуцикла увеличиваем на эту же величину; остальные переменные остаются без изменения. В результате получим новое назначение.

Задача является сильно вырожденной, в которой число базисных нулей равно . Критерий оптимальности предъявляет одинаковые требования к положительным переменным и к базисным нулям, поэтому в процессе решения результативные итерации часто чередуются холостыми.

Венгерский метод

Рассмотри задачу о назначениях с матрицей эффективностей

В соответствии с постановкой этой задачи, решить её - значит, иными словами, выбрать в матрице С элементов, по одному из каждой строки и каждого столбца так, чтобы сумма выбранных элементов, равная общей эффективности, соответствующей данному выбору, была наибольшей по сравнению с её значениями при всех других таких выборах. Эту задачу можно свести к выбору нулевых элементов, по одному в каждом столбце и каждой строке, в некоторой матрице с неотрицательными элементами, в которой в каждой строке и каждом столбце есть нули.

Две матрицы и назовем эквивалентными , если одна из них получается из другой прибавлением к элементам каждой строки одного и того же числа (для разных строк эти числа могут быть разными) и прибавлением к элементам каждого столбца одного и того же числа (для разных столбцов эти числа могут быть различны)

Теорема 2 (Эгервари).

Множества оптимальных назначений двух задач выбора с эквивалентными матрицами совпадают.

Приведённая теорема позволяет, если это требуется, переходить от данной задачи выбора с матрицей к задаче выбора с любой другой матрицей , при условии, что эквивалентна .

Алгоритм венгерского метода

Предварительный этап

Шаг 1. Переходим от задачи на максимум к задаче на минимум, т.е. . Теперь перейдем от задачи на минимум с матрицей к задаче на минимум с эквивалентной ей матрицей, которая имела бы только неотрицательные элементы, и в каждой строке и каждом столбце которой было бы хотя бы по одному нулевому элементу. Для этого сначала из большего элемента каждого столбца матрицы вычтем элементы того же столбца матрицы , результат поместим на место вычитаемого:

Получится неотрицательная матрица , в каждом столбце которой есть хотя бы один нуль.

Шаг 2. Теперь вычтем из элементов каждой строки матрицы минимальный элемент той же строки матрицы , результат остаётся на месте уменьшаемых элементов:

Полученная матрица и будет неотрицательной матрицей, в каждом столбце и в каждой строке которой есть хотя бы один нуль.

Наименьшее возможное значение суммы элементов неотрицательной матрицы равно, очевидно, нулю. Таким образом, наша задача сводится теперь к выбору в матрице , или эквивалентной ей матрице с неотрицательными элементами нулевых элементов, по одному в каждой строке и каждом столбце. Покажем, как это сделать. Неформальный смысл приводимого ниже алгоритма заключается в последовательных переходах от одного правильного неполного выбора нулей к другому, содержащему на один нуль больше, чем предыдущий, до тех пор, пока не получится полный правильный выбор. При этом на отдельных этапах может потребоваться переход к новой матрице, эквивалентной предыдущей.

Пусть уже проделаны предварительные преобразования матрицы эффективностей данной задачи и получена неотрицательная матрица , содержащая хотя бы по одному нулевому элементу в каждой строке и каждом столбце.

Основной этап

1. Отмечаем звездочкой () какой-нибудь нуль в первом столбце матрицы ;отмечаем звездочкой какой-нибудь нуль во втором столбце, не лежащий в той строке, в которой находится из первого столбца (если такой нуль во втором столбце найдется); отмечаем звездочкой один из нулей третьего столбца, лежащий в строке, где нет еще нуля со звездочкой (если такой нуль в третьем столбце найдется); и так далее, пока не пройдем все столбцы матрицы.

Если число отмеченных звездочкой нулей равно , то процесс окончен: места, занимаемые нулями со звездочкой, соответствуют переменным равным 1, в оптимальном варианте назначения.

Если нулей со звездочкой меньше , то

2. Помечаем знаком «+» сверху столбцы матрицы, в которых есть , и считаем эти столбцы занятыми.

В процессе решения будут появляться и занятые строки. Элементы, стоящие на пересечении незанятой строки и незанятого столбца будем считать незанятыми; остальные элементы - занятыми.

Если в матрице нет незанятых нулей, то переходим к пункту 5.

Если незанятые нули есть, то выбираем первый из них (просматривая поочередно строки слева направо). Отмечаем его каким-нибудь промежуточным значком (например, штрихом ). Если в его строке нет нуля со звездочкой, то переходим к п.4; если в его строке есть, то

3. Столбец, в котором находится , лежащий в той же строке, что и только что отмеченный штрихом нуль, считаем снова незанятым и знак «+» сверху снимаем. Строку, в которой находится наш объявляем занятой и помечаем знаком «+» справа. Возвращаемся к третьему абзацу пункта 2.

4. Строим цепочку из нулей: начинаем с только что отмеченного штрихом нуля (), идем по столбцу до , от него по строке к , и т.д., пока это возможно. Цепочка оборвется на каком-то (возможно на первом же ). Звездочки у нулей в цепочке снимаем, а вместо штрихов у нулей в цепочке ставим звездочки. Получим новый набор нулей со звездочкой, который содержит на один нуль больше, чем предыдущий набор.

Снимаем все пометки, кроме звездочек, и возвращаемся ко второму абзацу пункта 1.

5. Находим минимальный элемент среди незанятых элементов матрицы (пусть он будет равен ) и вычитаем его из всех незанятых элементов, а затем прибавляем ко всем дважды занятым элементам. Остальные элементы переписываем без изменения. Никакие пометки при этом не снимаются. Получается матрица, эквивалентная предыдущей, и содержащая незанятые нули. Возвращаемся к четвертому абзацу п.2.

Предположим, что у нас имеются $4$ склада $A_1,\ A_2,\ A_3,\ A_4$ и $4$ магазина $B_1,\ B_2,\ B_3,\ B_4$. Расстояния от каждого склада до каждого магазина заданы с помощью следующей матрицы:

Например, расстояние от $A_1$ до $B_1$ равно элементу $a_{11}=10$, расстояние от $A_2$ до $B_2$ равно элементу $a_{12}=20$, и т.д.

Требуется так прикрепить склады к магазинам, чтобы суммарное расстояние получилось минимальным. Такая задача называется задачей о назначениях. Решать ее можно с помощью так называемого венгерского алгоритма.

Венгерский алгоритм

1. В каждой строке матрицы назначения находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов строки.
2. В каждом столбце полученной матрицы находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.
3. Находим строку с одним нулем. Этот ноль заключаем в квадрат и называем отмеченным. В столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваем и в дальнейшем не рассматриваем. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
4. Находим столбец с одним нулем и этот ноль отмечаем. В строке, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
5. Если после выполнения шагов $3$ и $4$ еще остаются неотмеченные нули, то отмечаем любой их них, а в строке и столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются.
6. Если каждая строка и каждый столбец матрицы содержит ровно один отмеченный ноль, то получено оптимальное решение. Каждый из отмеченных нулей прикрепляет поставщика к потребителю. В противном случаем проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули. Среди не зачеркнутых этими прямыми чисел ищем минимум. Этот минимум вычитаем их всех не зачеркнутых чисел и прибавляем ко всем числам на пересечении прямых. К полученной матрице применяем вышеприведенный алгоритм, начиная с шага $3$.

Пример решения

Находим минимальный элемент в каждой строке матрицы и вычитаем его из всех элементов строки.

В полученной матрице проделываем тоже самое со столбцами, то есть находим в каждом столбце минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.

В первой строке полученной матрицы находится ровно один ноль. Отмечаем его, а в столбце, где стоит этот ноль все остальные нули зачеркиваем. Получим матрицу:

Следующая строка, в который находится ровно один ноль, это $4$-я. С ней поступаем точно так же. Больше нет строк, содержащих ровно один ноль, но имеются столбцы с одним нулем. Второй столбец содержит ровно один ноль, который мы и отметим. Поскольку этот ноль находится в $3$-й строке, то вычеркиваем все нули, находящиеся в $3$-й строке. Получим матрицу:

Видим, что в матрице больше нет нулей. Полученное распределение не является оптимальным, поскольку во второй строке нет отмеченных нулей. Проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули.

Находим минимальный элемент среди не зачеркнутых этими прямыми чисел: ${\min \left(5,\ 13,\ 7,\ 2,\ 11,\ 8\right)\ }=2$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

Полученное распределение не является оптимальным, поскольку в $4$-й строке нет отмеченных нулей. Проводим прямые:

${\min \left(11,\ 5,\ 9,\ 6,\ 6,\ 1\right)\ }=1$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

К полученной матрицы применяем вышеописанный алгоритм:

Видим, что в каждой строке и в каждом столбце матрицы находится ровно один отмеченный ноль. Получено оптимальное распределение. $A_1$ прикрепляем к $B_4$, $A_2$ - к $B_1$, $A_3$ - к $B_2$, $A_4$ - к $B_3$. Для того, чтобы найти суммарное распределение, нужно сложить числа, расположенные в исходной матрице на месте отмеченных нулей. Получим: $5+3+8+8=24$.

Стоит отметить, что задача о назначениях может решаться и на максимум (чтобы суммарное расстояние было максимальным). В этом случае каждый элемент матрицы умножается на $-1$ и к полученной матрице применяется вышеописанный алгоритм.

Предварительный этап .

Шаг 1 . При максимизации целевой функции С найти максимальный элемент и каждый элемент этого столбца вычесть из максимального. При минимизации целевой функции (суммы показателей эффективности назначений) в каждом столбце матрицы С найти минимальный элемент и вычесть его из каждого элемента этого столбца.

С  с неотрицательными элементами. В каждом столбце матрицы С  имеется, по крайней мере, один нуль.

Шаг 2 . В каждой строке матрицы С  найти минимальный элемент и вычесть его из каждого элемента этой строки.

В результате образуется матрица С 0 с неотрицательными элементами. В каждом столбце и каждой строке матрицы С 0 имеется, по крайней мере, по одному нулю.

Шаг 3 . Отме­тить произвольный нуль в первом столбце звездочкой. Начиная со второго столбца просматривать каждый столбец матрицы С 0 и отмечать в нем звездочкой нуль, расположенный в строке, где нет нуля со звездочкой. В каждом столбце можно отметить звездочкой только один нуль. Очевидно, что нули матрицы С 0 , отмеченные звездочкой, являются по построению независимыми. На этом предварительный этап заканчи­вается.

( k + 1)-я итерация . Допустим, что k -я итерация уже проведена и в результате получена матрица С k . Если в матрице С k имеется ровно п нулей со звездочкой, то процесс решения заканчивается. Если же число нулей со звездочкой меньше п , то переходим к (k + 1)-й ите­рации.

Каждая итерация начинается первым и заканчивается вторым эта­пом. Между ними может несколько раз проводиться пара этапов: третий – первый . Перед началом итерации знаком «+» выделяют столбцы матрицы С k , которые содержат нули со звездочкой .

Первый этап . Просмотреть невыделенные столбцы матри­цы С k . Если среди них не окажется нулевых элементов, то перейти к третьему этапу .

Если же невыделенный нуль матрицы С k обнаружен, то возможен один из двух случаев:

эта строка не содержит нуля со звездочкой.

В первом случае невыделенный нуль отметить штрихом и выделить строку , в которой он содержится, постановкой справа от нее зна­ка «+». Затем уничтожить знак «+», обводя его кружком над тем столбцом , на пересечении которого с данной выделенной строкой со­держится нуль со звездочкой.

 Если такой нуль найден и он единственный в столбце, то отметить его штрихом и выделить строку (строки), содержащую такой нуль (нули), знаком «+». Затем просмотреть эту строку (строки), отыскивая в них нуль со звез­дочкой.

 Если такой нуль в столбце найден, но он не единственный в столбце, то из этих нулей следует выбрать:

в первую очередь такой нуль, в одной строке с которым, нет 0*;

во вторую очередь такой нуль, в одной строке с которым имеется 0*, но в одном столбце с этим 0* имеется невыделенный нуль;

в последнюю очередь такой нуль, в одной строке с которым имеется 0*, но в одном столбце с этим 0* отсутствует невыделенный нуль;

Этот процесс законечное число шагов заканчивается одним изследующих исходов:

Исход 1 . Все нули матрицы С k выделены, т. е. находятся в выделенных строках или столбцах. В этом случае перейти к третьему этапу ;

Исход 2 . Имеется невыделенный нуль в строке, где нет нуля со звездочкой. Тогда перейти ко второму этапу , отметив последний по порядку нуль штрихом .

Во втором случае , отметив невыделенныйнуль штрихом, сразупереходят ко второму этапу.

Второй этап . Построить следующую цепочку из элементов матрицы С k : исходный нуль со штрихом, нуль со звездочкой, располо­женный в одном столбце с первым, нуль со штрихом, расположенный в одной строке с предшествующим нулем со звездочкой, и т. д. Итак, цепочка образуется передвижением от 0" к 0* по столбцу , от 0* к 0" по строке и т. д.

Можно доказать, что описанный алгоритм построения цепочки однозначен и конечен. При этом цепочка всегда начинается и закан­чивается нулем со штрихом . Далее над элементами цепочки, стоящими на нечетных местах (0"), поставить звездочки, уничтожая их над четными элементами (0*). Затем уничтожить все штрихи над элементами мат­рицы С k и знаки «+». При этом количество независимых нулей будет увеличено на единицу . (k + 1)-я итерация закончена .

Третий этап . К этому этапу следует переходить после первого этапа в случае, если все нули матрицы С k выделены , т. е. находятся в выделенных строках или столбцах. В таком случае среди невыделенных элементов матрицы С k выбрать минимальный элемент и обозначить его h > 0.

вычесть h из всех элементов матрицы С k , расположенных в невыделенных стро­ках , и

прибавить h ко всем элементам матрицы С k , расположенным в выделенных столбцах .

В результате получается новая матрица , эквивалентнаяС k .

Поскольку среди невыделенных элементов матрицы
появятся новые нули (согласно определению), следует перейти к первому этапу, а вместо матрицыС k рассматривать матрицу
.

Завершив первый этап либо перейти ко второму этапу , если невыделенный нуль находится в строке, которая не содержит нуля со звездочкой , либо вновь возвратиться к третье­му этапу , если в результате выполнения первого этапа все нули матрицы
окажутся выделенными .

В первом случае после проведения второго этапа итерация закан­чивается .

Во втором случае после проведения третьего этапа получается матрица
~
~С k . В матрице
появятся невыделенные нули, и всю последовательность операций, начиная с первого этапа, надо повторить.После конечного числа повторений очередной первый этап обязательно закончится переходом на второй этап , при выполнении которого количество независимых нулей увеличится на единицу, а после выполнения которого (k + 1)-я итерация за­канчивается .

Пример 9. Решим венгерским методом задачу:

На боевом надводном корабле имеется 5 зенитных огневых средств (ЗОС). На корабль совершается одновременный налет авиации противника в количестве 5 единиц. Поражающий потенциал каждого i –го ЗОС по j –му летательному аппарату противника равен (количество потенциально уничтожаемыхj –х летательных аппаратов за время атаки НК одним ЛА). Предполагается, что любое ЗОС может обстрелять любую цель.

Распределить ЗОС по ВЦ таким образом, чтобы суммарный поражающий потенциал был максимален, при условиях:

на одну ВЦ может быть назначено только одно ЗОС;

все цели должны быть обстреляны ЗОС.

Решение :

Предварительный этап .





Первая итерация .

Первый этап .

+ +



В

+ +



Вторая итерация .

П

+ +



Поскольку все нули матрицы С 1 выделены следует перейти к третьему этапу.

Третий этап .

+ +