Динамическое программирование

Динамическое программирование в математике и теории вычислительных систем — метод решения задач с оптимальной подструктурой и перекрывающимися подзадачами, который намного эффективнее, чем решение «в лоб» (brute force).

История

Словосочетание динамическое программирование впервые было использовано в 1940-х годах Р. Беллманом для описания процесса нахождения решения задачи, где ответ на одну задачу может быть получен только после решения задачи, «предшествующей» ей. В 1953 г. он уточнил это определение до современного. Первоначально эта область была основана, как системный анализ и инжиниринг, которая была признана IEEE. Вклад Беллмана в динамическое программирование был увековечен в названии уравнения Беллмана, центрального результата теории динамического программирования, который переформулирует оптимизационную задачу в рекурсивной форме.

Слово «программирование» в словосочетании «динамическое программирование» в действительности к традиционному программированию (написанию кода) почти никакого отношения не имеет и происходит от словосочетания «математическое программирование», которое является синонимом слова «оптимизация». Поэтому слово «программа» в данном контексте скорее означает оптимальную последовательность действий для получения решения задачи. К примеру, определенное расписание событий на выставке иногда называют программой. Программирование в данном случае понимается как допустимая последовательность событий.

Идея динамического программирования

Файл:Оптимальная подструктура в графе.png

Нахождение кратчайшего пути в графе из одной вершины в другую, используя оптимальную подструктуру; прямая линия обозначает простое ребро; волнистая линия обозначает кратчайший путь между вершинами, которые она соединяет (промежуточные вершины пути не показаны); жирной линией обозначен итоговый кратчайший путь.

Граф подзадач (ребро означает, что одна задача зависит от решения другой) для чисел Фибоначчи (граф — ациклический).

Оптимальная подструктура в динамическом программировании означает, что оптимальное решение подзадач меньшего размера может быть использовано для решения исходной задачи. К примеру, кратчайший путь в графе из одной вершины (обозначим s) в другую (обозначим t) может быть найден так: сначала считаем кратчайший путь из всех вершин, смежных с s, до t, а затем, учитывая веса ребер, которыми s соединена со смежными вершинами, выбираем лучший путь до t (через какую вершину лучше всего пойти). В общем случае мы можем решить задачу, в которой присутствует оптимальная подструктура, проделывая следующие три шага.

1. Разбиение задачи на подзадачи меньшего размера.
2. Нахождение оптимального решения подзадач рекурсивно, проделывая такой же трехшаговый алгоритм.
3. Использование полученного решения подзадач для конструирования решения исходной задачи.

Подзадачи решаются делением их на подзадачи ещё меньшего размера и т. д., пока не приходят к тривиальному случаю задачи, решаемой за константное время (ответ можно сказать сразу). К примеру, если нам нужно найти n!, то тривиальной задачей будет 1! = 1 (или 0! = 1).

Перекрывающиеся подзадачи в динамическом программировании означают подзадачи, которые используются для решения некоторого количества задач (не одной) большего размера (то есть мы несколько раз проделываем одно и то же). Ярким примером является вычисление последовательности Фибоначчи, $F_{3}=F_{2}+F_{1}$ и $F_{4}=F_{3}+F_{2}$ — даже в таком тривиальном случае вычисления всего двух чисел Фибоначчи мы уже посчитали $F_{2}$ дважды. Если продолжать дальше и посчитать $F_{5}$, то $F_{2}$ посчитается ещё два раза, так как для вычисления $F_{5}$ будут нужны опять $F_{3}$ и $F_{4}$. Получается следующее: простой рекурсивный подход будет расходовать время на вычисление решение для задач, которые он уже решал.

Чтобы избежать такого хода событий мы будем сохранять решения подзадач, которые мы уже решали, и когда нам снова потребуется решение подзадачи, мы вместо того, чтобы вычислять его заново, просто достанем его из памяти. Этот подход называется кэширование. Можно проделывать и дальнейшие оптимизации — например, если мы точно уверены, что решение подзадачи нам больше не потребуется, можно выкинуть его из памяти, освободив её для других нужд, или если процессор простаивает и мы знаем, что решение некоторых, ещё не посчитанных подзадач, нам понадобится в дальнейшем, мы можем решить их заранее.

Подводя итоги вышесказанного можно сказать, что динамическое программирование пользуется следующими свойствами задачи:

• перекрывающиеся подзадачи;
• оптимальная подструктура;
• возможность запоминания решения часто встречающихся подзадач.

Динамическое программирование обычно придерживается двух подходов к решению задач:

• нисходящее динамическое программирование: задача разбивается на подзадачи меньшего размера, они решаются и затем комбинируются для решения исходной задачи. Используется запоминание для решений часто встречающихся подзадач.
• восходящее динамическое программирование: все подзадачи, которые впоследствии понадобятся для решения исходной задачи просчитываются заранее и затем используются для построения решения исходной задачи. Этот способ лучше нисходящего программирования в смысле размера необходимого стека и количества вызова функций, но иногда бывает нелегко заранее выяснить решение каких подзадач нам потребуется в дальнейшем.

Языки программирования могут запоминать результат вызова функции с определенным набором аргументов, чтобы убыстрить «вычисление по имени». В некоторых языках такая возможность встроена (например, Scheme, Common Lisp, Perl), а в некоторых требует дополнительных расширений (C++).

Известны сериальное динамическое программирование, включённое во все учебники по исследованию операций, и несериальное динамическое программирование (НСДП), которое в настоящее время слабо известно, хотя было открыто в 1960-х годах.

Обычное динамическое программирование является частным случаем несериального динамического программирования, когда граф взаимосвязей переменных — просто путь. НСДП, являясь естественным и общим методом для учета структуры задачи оптимизации, рассматривает множество ограничений и/или целевую функцию как рекурсивно вычислимую функцию. Это позволяет находить решение поэтапно, на каждом из этапов используя информацию, полученную на предыдущих этапах, причём эффективность этого алгоритма прямо зависит от структуры графа взаимосвязей переменных. Если этот граф достаточно разрежен, то объём вычислений на каждом этапе может сохраняться в разумных пределах.

Одним из основных свойств задач, решаемых с помощью динамического программирования, является аддитивность. Неаддитивные задачи решаются другими методами. Например, многие задачи по оптимизации инвестиций компании являются неаддитивными и решаются с помощью сравнения стоимости компании при проведении инвестиций и без них.

Классические задачи динамического программирования

• Задача о наибольшей общей подпоследовательности
• Задача поиска наибольшей увеличивающейся подпоследовательности
• Задача о редакционном расстоянии (Расстояние Левенштейна)
• Задача о Вычислении чисел Фибоначчи
• Задача о порядке перемножения матриц
• Задача о выборе траектории
• Задача последовательного принятия решения
• Задача об использовании рабочей силы
• Задача управления запасами
• Задача о ранце
• Задача поиска кратчайшего пути в сети
• Алгоритм Флойда-Уоршелла
• Максимальное независимое множество вершин в дереве
• Алгоритм Беллмана — Форда

Литература

• Беллман Р. Динамическое программирование. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1960.
• Е. В. Брызгалов Динамическое программирование
• Томас Х. Кормен и др. Глава 15. Динамическое программирование // Алгоритмы: построение и анализ = INTRODUCTION TO ALGORITHMS. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 1296. — ISBN 0-07-013151-1.
• Sanjoy Dasgupta , Christos H. Papadimitriou, Umesh Vazirani. Algorithms = Algorithms. — 1-е изд. — McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2006. — С. 336. — ISBN 0073523402.
• Bertele U., Brioshi F. Nonserial dynamic programming. — N.Y.: Academic Press, 1972. — 235 pp.
• Щербина О. А. О несериальной модификации локального алгоритма декомпозиции задач дискретной оптимизации // Динамические системы, 2005, вып. 19.
• Щербина О. А. Методологические аспекты динамического программирования // Динамические системы, 2007, вып. 22. — c.21-36.
• Габасов Р., Кириллова Ф. М. Основы динамического программирования. — Мн.: Изд-во БГУ, 1975. — 262 с.

Ссылки

• Слайды лекции о динамическом программировании.
• Теория, задачи, тестирующая система.