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Der Lösungsansatz enthält bezogen auf
die Ausprägung des interessierenden Merkmals sowohl
zahlenwert-unabhängige wie auch zahlenwert-abhängige Regeln:
3.2.1 |
Zahlenwert-unabhängige Regeln |
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Unabhängig von den Ausprägungen des interessierenden
Merkmals der Kanten werden auf jeden Graph folgende Regeln
angewandt: |
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Zerlegungsregel:
Zerlegt man einen Graphen in zwei Teilgraphen, so dass jeder
Knoten im Teilgraphen nur einmal entweder als Anfangsknoten
oder als Endknoten einer Kante enthalten ist, dann entstehen
zwei (n/2)-komponentige Teilgraphen, bestehend aus n Knoten
mit einem Knotengrad 1 und aus n/2 Kanten.
Reihenfolgeregel:
Weil aufgrund der o.a. Zerlegung jede
Kante von allen übrigen Kanten losgelöst ist, lassen sich
alle n/2 Kanten eines Teilgraphen so sortieren, dass die
Nummer des Anfangsknoten xi einer Kante (uij)k
kleiner ist als der Anfangsknoten xi einer Folgekante (uij)k+1; k =
1,2,...,(n/2)-1.
Þ
alle verschiedenen Reihenfolgen von n/2 Kanten fallen zu einer
Reihenfolge, und damit zu einem einzigen Teilgraph zusammen.
Außer für die erste (feststehende)
Kante mit dem Anfangsknoten x1 vermindert sich für
jede weitere der n/2 Kanten die Mächtigkeit der Teilgraphen
um eine Fakultät.
Symmetrieregel:
Weiter lassen sich bei Symmetrie alle
Kanten uij so ordnen, dass bei der einzelnen Kante
die Nummer des Anfangsknoten xi kleiner ist als die
Nummer des Endknoten xj. i < j; i = 1,2,...,n-1;
j = i+1,i+2,...,n .
Þ
Bis auf die erste feste Kante, die vom Knoten x1
ausgeht, fallen je zwei Kanten (uij und uji)
zu einer Kante uij zusammen.
Außer für die erste (feststehende)
Kante mit dem Anfangsknoten x1 vermindert sich für
jede weitere der n/2 Kanten die Mächtigkeit der Teilgraphen
um eine 2er-Potenz.
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3.2.2 |
Zahlenwert-abhängige Regeln |
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Beim Graph kann - bis auf die erste Kante mit dem
Anfangsknoten Nr.1 und die letzte Kante mit dem Endknoten Nr.
1 - jede andere Kante an jeder beliebigen Stelle innerhalb
eines Graphen stehen. Im Gegensatz dazu bestimmt jedoch im
Teilgraph die in 3.2.1. festgelegte Sortierung insoweit die
Reihenfolge der Kanten, dass eine Kante nur an bestimmten Plätzen
innerhalb eines Teilgraphen stehen kann. Jeder Teilgraph hat
somit eine „Kanten“-Struktur, der Gesamtgraph hat keine.
Folgende Beziehung ergibt sich zwingend zwischen der Nummer
des Anfangsknoten xi einer Kante (uij)k
und dem k-ten Platz dieser Kante im Teilgraph; k =
1,2,...,(n/2); i
= k,...,2k-1:
Tabelle
3.1. Beziehung zwischen Kanten und Kantenplatz
1. Kante
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2. Kante
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3. Kante
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4. Kante .......
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u(1,2)
- u(1,n)
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u(2,3)
- u(2,n) oder
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u(3,4)
- u(3,n)
oder
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u(4,5)
- u(4,n) oder
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u(3,4)
- u(3,n)
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u(4,5)
- u(4,n)
oder
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u(5,6)
- u(5,n) oder
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u(5,6)
- u(5,n)
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u(6,7)
- u(6,n) oder
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u(7,8)
- u(7,n)
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Die Platznummer k einer Kante im
Teilgraph bestimmt die möglichen Anfangsknoten xi
dieser Kante; z.B. beginnen alle möglichen ersten Kanten
eines Teilgraphen mit dem Knoten Nr. 1, alle möglichen
zweiten Kanten eines Teilgraphen mit den Knoten Nr. 2 oder Nr.
3, alle dritten Kanten mit den Knoten Nr. 3 oder Nr. 4 oder
Nr. 5, usw. Andererseits bestimmt die Nummer des Anfangsknoten
einer Kante den möglichen Kantenplatz innerhalb der
Reihenfolge der Kanten beim Teilgraph. Diese Beziehung
zwischen Anfangsknoten einer Kante und dem Kantenplatz wird für
die beiden folgenden Regeln ausgenutzt. Abhängig von den
Ausprägungen des interessierenden Merkmals der Kanten werden
auf jeden Teilgraph folgende Regeln angewandt:
Knotennummerierungsregel:
Ziel der Regel ist es, vor der
eigentlichen Berechnung den größtmöglichen variablen
"Kostenanteil" auf die vorderer Kantenplätze zu
verteilen. Für die begrenzte Enumeration ist es günstig,
wenn die Abweichungen der Kantenlängen auf den vorderen Plätzen
in der Reihe eines Teilgraphen möglichst groß sind. Dadurch
können Teilbereiche bei der Berechnung frühzeitig
ausgeschieden werden. Als gute Grundlage für die Berechnung
der Abweichung der Kantenlängen jedes Knoten scheint hier die
Summe der Abweichungen aller Kantenlängen von der kleinsten
Kantenlänge zu sein. Je größer der Wert der Abweichungen
desto kleiner sollte die Nr. des Knoten sein. Die
Einspareffekte sind abhängig von den Ausprägungen des
entsprechenden Merkmals. Je größer die Abweichungen sind,
desto größer sind die Einspareffekte.
Mindestkantenregel:
Das Ziel, bei der begrenzten Enumeration
möglichst frühzeitig die Berechnung abbrechen zu können,
wird dadurch verbessert, dass man nicht die Gesamtlänge der
Kanten, sondern nur ihre Abweichungen, d.h. die Differenz von
der kleinsten Kantenlänge betrachtet. Damit soll der
"Fixkostenanteil" eliminiert werden. Üblicherweise
wird dazu jeder Zahlenwert der Ausgangsmatrix um die kleinste
Kantenlänge der Kanten reduziert.
Will man die Ausgangsmatrix nicht verändern,
kann man auch bei jedem Zwischenergebnis für die noch
ausstehenden Kanten jeweils die Mindestlänge hinzuzählen und
erst dann das Ergebnis mit dem bereits früher gefundenen
kleinsten Teilgraph vergleichen. Ist das Ergebnis größer als
dieser Teilgraph, dann kann an dieser Stelle die Berechnung
abgebrochen werden. Aufgrund der vorgegebenen Ordnung wird
diese Mindestkantenlänge für jeden einzelnen Platz jetzt
nicht mehr aus allen Kanten sondern nur noch aus der Menge der
relevanten Kanten des jeweiligen Platzes gesucht. Für jeden
Kantenplatz ist die Gesamt-Mindestlänge aller noch
ausstehenden Kanten zu berechnen. Die exakten Mindestlängen
lassen sich i.d.R. nur maschinell berechnen.
Bemerkung:
Die bisherigen Kanten u1,
u2, ... im Teilgraph bestimmen die Nummer des
Anfangs- knoten der Folgekante insoweit, als die Folgekante
nicht mit einem beliebigen sondern zwingend mit dem kleinsten
Anfangsknoten beginnt, der bei den vorherigen Kanten weder
Anfangs- noch Endknoten war. Deshalb hat z.B. der
Anfangsknoten der dritten Kante entweder die Nr. 3 oder
die Nr. 4 oder die Nr. 5, abhängig davon, welcher
dieser Knoten bereits in der ersten bzw. zweiten Kante
enthalten ist.(siehe o.a. Tabelle). Kanten mit einer kleinen
Anfangsknoten-Nummer stehen also tendenziell vorn in der Reihe
der Kanten eines Teilgraphen, Kanten mit einer großen
Anfangsknoten-Nummer tendenziell hinten. Aus i < n
folgt, dass der Knoten mit der Nr. n nie Anfangsknoten
einer Kante sondern nur Endknoten sein kann.
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3.2.3 |
Iterationsschritte |
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Die fehlenden Kanten zum Gesamtgraph ergeben einen
Komplement-Teilgraph (TGkompl) mit derselben
Struktur wie der ursprüngliche Teilgraph. Zu suchen ist nun
die minimale Gesamtsumme,
die aus den beiden Teilsummen gebildet wird. Dazu wird in
einem ersten Iterationsschritt der Teilgraph mit der kleinsten
Summe und sein zugehöriger kleinster Komplement-Teilgraph
ermittelt. Die Summe beider Teilsummen muss nicht zwingend die
kleinste Gesamtsumme sein. Alle Teilgraphen, deren Summe größer
ist als die Summe des gefundenen kleinsten
Komplement-Teilgraphen, scheiden für die folgenden
Berechnungen aus, weil sie nicht Bestandteil des optimalen
Gesamtgraphen sein können. Weiter ist die Summe zweier
Summanden nur dann kleiner als ein vorgegebener Wert, wenn
mindestens einer der beiden Summanden kleiner ist als die Hälfte
dieses Wertes. Gibt es also einen Teilgraph, dessen Summe
kleiner ist als die Hälfte der bereits ermittelten
Gesamtsumme, so ist zu diesem Teilgraph wiederum der kleinste
Komplement- Teilgraph zu suchen, um festzustellen, ob die neue
Gesamtsumme kleiner als die bisherige ist. Die neue kleinere
Gesamtsumme ist Ausgangswert für den nächsten
Iterationsschritt.
Dieses Verfahren ist so oft durchzuführen,
bis feststeht, dass es keinen kleineren Teilgraph mit zugehörigem
Komplement-Teilgraph gibt. Abhängig von den jeweiligen Werten
der Kantenlängen wird zwar beim ersten Durchgang nicht
zwingend der optimale Graph gefunden, die Zahl der notwendigen
Durchgänge bleibt jedoch erfahrungsgemäß (s.u.)
minimal.
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