fh-hof optimierungsverfahren für kombinatorische probleme richard göbel

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FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

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Page 1: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme

Richard Göbel

Page 2: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Ansatz

Beginne mit einem Anfangszustand, der noch

nicht alle Bedingungen erfüllt

Finde ausgehend vom dem Anfangszustand

einen „besseren“ Zustand (zum Beispiel mit

Hilfe eines Suchverfahren)

Setze das Verfahren mit dem gefundenen

Zustand fort

Beende das Verfahren, falls der Zustand alle

Bedingungen erfüllt.

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FH-Hof

Beispiel - Zahlenpuzzle 1

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67 8

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FH-Hof

Beispiel – Zahlenpuzzle 2

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01

1 0

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FH-Hof

Beispiel – Zahlenpuzzle 3

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1 0

2 2

Page 6: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Ableitung neuer Operatoren

Kombination verschiedener Operationen . . .

. . . mit „minimaler Änderung“ des Zustands . . .

. . . als neuen Operator

a b c

d e f

g h

Page 7: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

a b c

de

f

g

h

a b c

de

fg h

a b c

de

fg h

a b c

de f

g h

a b c

de f

g h

Bestimmung eines neuen Operators

a b c

d e f

g h

a b c

d e f

g h

a b c

d

e

f

g h

a b c

d

e

f

g h

a b c

d

e

f

g

h

a b c

d

e

f

g

h

a b c

d

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h

a b c

d

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a b c

d

ef

g h

a b c

d

ef

g h

a b c

d

ef

g h

a b c

d

ef

g

h

a b c

d

ef

g

h

a b c

de

f

g

h

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FH-Hof

Neuer Operator

d e f de f d ef

Page 9: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Neue Operatoren aus abgeleiteten Operatoren

a b c

d e f

g h

a bc

d e f

g h

a b

c

d

e fg

h

a b

c

d

e f g

h

a bc

d

e

f g

h

a b c

d

e

f g

h

e f

g e

f g

Page 10: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Neue Operatoren – Allgemeiner Ansatz

Finde eine „geeignete“ Darstellung für die

Operatoren

Erzeuge neue Operatoren durch die

Kombination alter Operatoren

Versuche Operatoren zu finden, die:

jeweils minimale Änderungen durchführen

durch Kombinationen aller anderen Operatoren

simulieren

Page 11: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Darstellung für das Zahlenpuzzle

Darstellung eines Zustands als Zeichenkette

“4 1 3 7 6 3 5 2 E“

Operatoren als Ersetzungsregeln mit Variablen

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E x1 x2 x3 x4 x5 E x7 x8 x6

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8 x1 x2 x3 x4 E x6 x7 x5 x8

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8 x1 x2 x3 x4 x5 x6 E x7 x8

. . .

Page 12: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Verwendung der Regeln

Anwendung einer Regel

4 1 3 7 6 3 5 2 E 4 1 3 7 6 E 5 2 3

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E x1 x2 x3 x4 x5 E x7 x8 x6

Kombination von Regeln

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 E x8 x1 x2 x3 x4 E x6 x7 x5 x8

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 E x1 x2 x3 x4 E x6 x7 x5 x8

Achtung:

In der Regel sind für die Kombination Variablen umzubenennen!

Page 13: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Möglicher Algorithmus

Erzeuge schrittweise neue Regeln

Lösche alte Regeln falls Kombination neuer

Regeln die alte Regel ersetzen kann

Versuche möglichst Regeln zu erzeugen, die

„wenig ändern“

Eventuell wird am Schluss nur noch die

folgende Regel existieren:

x1 x2 x3 x3 x1 x2

Page 14: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Diskussion dieses Ansatzes

Baut die Aufgabenstellung um . . .

. . . „lernt“ dabei neue Operatoren . . .

. . . und liefert ein effizientes Verfahren zur

Lösung verschiedener Aufgabenstellungen

Ist dieser Ansatz bereits eine universelle

Lösung?

Antwort: Nein!

Page 15: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Beispiel für eine andere Aufgabenstellung

Gegeben: Schachbrett und Dominosteine

Lege die Dominosteine so, dass auf je zwei Feldern genau ein Dominostein liegt

Existiert eine Lösung, so dass alle Felder bedeckt werden?

Page 16: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Modifizierte Aufgabenstellung

Entferne die gegenüberliegenden Eckfelder

Existiert noch immer eine Lösung?

Page 17: FH-Hof Optimierungsverfahren für kombinatorische Probleme Richard Göbel

FH-Hof

Diskussion

Für diese Aufgabenstellung existiert keine

Lösung!

Wie lässt sich dies zeigen?

Für die Lösung muss Information hinzugefügt

werden, die so nicht in der Aufgabenstellung

enthalten ist.

Allgemein: Einbettung der Aufgabenstellung in

eine größere Aufgabenstellung

Für eine solche Einbettung existieren bisher

keine universelle Ansätze!