maisМоделирование и анализ информационных системModeling and Analysis of Information Systems1818-10152313-5417Yaroslavl State University10.18255/1818-1015-2014-4-132-147mais-104Research ArticleОригинальные статьиArticlesЭвристические алгоритмы для задачи целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы с ограничениями второго родаHeuristic Algorithms for The Problem of Integer Balancing of a Three-dimensional Matrix with Constraints of Second TypeСмирновАлександр ВалерьевичSmirnovA. V.

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической информатики, 150000 Россия, г. Ярославль, ул. Советская, 14

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической информатики, Sovetskaya str., 14, Yaroslavl, 150000, Russia

alexander_sm@mail.ruЯрославский государственный университет им. П.Г. ДемидоваРоссияP.G. Demidov Yaroslavl State UniversityRussian Federation201420082014214132147Copyright © Смирнов А.В., 20142014Смирнов А.В.Smirnov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.mais-journal.ru/jour/article/view/104

Рассматривается задача целочисленного сбалансирования с ограничениями второго рода. В вещественной трехмерной матрице элементы внутренней части (все три индекса больше нуля) просуммированы по каждому направлению и сечению матрицы, а также найдена общая сумма. Данные суммы размещаются в элементах матрицы, у которых один или несколько индексов равны нулю (в соответствии с направлениями суммирования). Ищется целочисленная матрица той же структуры, получаемая из исходной заменой элементов внутренней части на округления до целого сверху или целого снизу. При этом суммирующие элементы должны отклоняться от исходных менее чем на 2, а элемент с тремя нулевыми индексами получается по обычным правилам округления.

В статье разрабатываются эвристические алгоритмы решения задачи. Послойный алгоритм получается как обобщение соответствующего алгоритма для задачи с ограничениями первого рода. Предлагается новый матричный алгоритм, состоящий из трех частей: поиск базовой матрицы, поиск максимальной матрицы и коррекция матрицы. На всех шагах циклически проводятся изменения целочисленной матрицы, затрагивающие от 1 до 3 элементов внутренней части. Определяется модифицированный матричный алгоритм, направленный на более равномерное заполнение внутренней части целочисленной матрицы.

Также в статье оценивается сложность всех трех алгоритмов и приводится сравнительный анализ матричных алгоритмов на основе результатов вычислительных экспериментов.

The problem of integer balancing of a three-dimensional matrix with constraints of second type is studied. The elements of the inner part (all three indices are greater than zero) of the three-dimensional matrix are summed in each direction and each section of the matrix; the total sum is also found. These sums are placed into the elements where one or more indices are equal to zero (according to the summing directions). The problem is to find an integer matrix of the same structure, which can be produced from the initial one by replacing the elements of the inner part with the largest previous or the smallest following integer. At the same time, variations of the sums of elements from those in the initial matrix should be less than 2 and the element with three zero indices should be produced with standard rules of rounding-off. Heuristic algorithms for this problem are suggested in the article: layering algorithm being got as generalization of a similar algorithm for the problem with constraints of first type and a new matrix algorithm. The last one consists of three parts: search for the base matrix, search for the maximal matrix and matrix correcting. Each of them is a cyclic change of the integer matrix using from 1 to 3 elements from the inner part. A modification of the matrix algorithm is suggested. The algorithm is directed to more uniform filling of the inner part of the integer matrix. Also, the complexity of all three algorithms is estimated in the article. The comparative analysis of matrix algorithms based on the results of computing experiments is adduced.

целочисленное сбалансированиетрехмерные матрицыограничения второго родакратные сетикратные потокиобобщенный алгоритм пометокпослойный алгоритмматричный алгоритмinteger balancingthree-dimensional matricesconstraints of second typemultiple networksmultiple flowsgeneralized labeling algorithmlayering algorithmmatrix algorithmReferencesРублев В.С., Смирнов А.В. NP-полнота задачи целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы // ДАН. 2010. Т. 435, №3. С. 314–316 (English transl.: Roublev V.S., Smirnov A.V. NP-Completeness of the Integer Balancing Problem for a Three-Dimensional Matrix // Doklady Mathematics. 2010. Vol. 82, №3. P. 912–914).Рублев В.С., Смирнов А.В. NP-полнота задачи целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы // ДАН. 2010. Т. 435, №3. С. 314–316 (English transl.: Roublev V.S., Smirnov A.V. NP-Completeness of the Integer Balancing Problem for a Three-Dimensional Matrix // Doklady Mathematics. 2010. Vol. 82, №3. P. 912–914).Рублев В.С., Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы и алгоритмы ее решения // Моделирование и анализ информационных систем. 2010. Т. 17, №2. С. 72–98 (Roublev V.S., Smirnov A.V. The Problem of Integer-Valued Balancing of a Three-Dimensional Matrix and Algorithms of Its Solution // MAIS. 2010. V. 17, №2. P. 72–98 [in Russian]).Рублев В.С., Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы и алгоритмы ее решения // Моделирование и анализ информационных систем. 2010. Т. 17, №2. С. 72–98 (Roublev V.S., Smirnov A.V. The Problem of Integer-Valued Balancing of a Three-Dimensional Matrix and Algorithms of Its Solution // MAIS. 2010. V. 17, №2. P. 72–98 [in Russian]).Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы и сетевая модель // Моделирование и анализ информационных систем. 2009. Т. 16, №3. С. 70–76 (Smirnov A.V. The Problem of Integer-valued Balancing of a Three-dimensional Matrix and Network Model // MAIS. 2010. V. 16, №3. P. 70–76 [in Russian]).Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы и сетевая модель // Моделирование и анализ информационных систем. 2009. Т. 16, №3. С. 70–76 (Smirnov A.V. The Problem of Integer-valued Balancing of a Three-dimensional Matrix and Network Model // MAIS. 2010. V. 16, №3. P. 70–76 [in Russian]).Смирнов А.В. Некоторые классы разрешимости задачи целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы с ограничениями второго рода // Моделирование и анализ информационных систем. 2013. Т. 20, №2. С. 54–69 (Smirnov A.V. Some Solvability Classes for The Problem of Integer Balancing of a Three-dimensional Matrix with Constraints of Second Type // MAIS. 2013. V. 20, №2. P. 54–69 [in Russian]).Смирнов А.В. Некоторые классы разрешимости задачи целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы с ограничениями второго рода // Моделирование и анализ информационных систем. 2013. Т. 20, №2. С. 54–69 (Smirnov A.V. Some Solvability Classes for The Problem of Integer Balancing of a Three-dimensional Matrix with Constraints of Second Type // MAIS. 2013. V. 20, №2. P. 54–69 [in Russian]).Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы с ограничениями второго рода // Моделирование и анализ информационных систем: Труды международной научной конференции, посвященной 35-летию математического факультета и 25-летию факультета информатики и вычислительной техники Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Ярославль, 2012. C. 164–167 [Smirnov A.V. Zadacha tselochislennogo sbalansirovaniya tryokhmernoy matritsy s ogranicheniyami vtorogo roda // Modelirovanie i analiz informatsionnykh sistem: Trudy mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii, posvyashchyonnoy 35-letiyu matematicheskogo fakulteta i 25-letiyu fakulteta informatiki i vychislitelnoy tekhniki Yaroslavskogo gosudarstvennogo universiteta im. P. G. Demidova. Yaroslavl, 2012. S. 164–167 (in Russian)].Смирнов А.В. Задача целочисленного сбалансирования трехмерной матрицы с ограничениями второго рода // Моделирование и анализ информационных систем: Труды международной научной конференции, посвященной 35-летию математического факультета и 25-летию факультета информатики и вычислительной техники Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Ярославль, 2012. C. 164–167 [Smirnov A.V. Zadacha tselochislennogo sbalansirovaniya tryokhmernoy matritsy s ogranicheniyami vtorogo roda // Modelirovanie i analiz informatsionnykh sistem: Trudy mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii, posvyashchyonnoy 35-letiyu matematicheskogo fakulteta i 25-letiyu fakulteta informatiki i vychislitelnoy tekhniki Yaroslavskogo gosudarstvennogo universiteta im. P. G. Demidova. Yaroslavl, 2012. S. 164–167 (in Russian)].Рублев В. С., Смирнов А. В. Потоки в кратных сетях // Ярославский педагогический вестник. 2011. Т. 3, №2. С. 60–68 (Rublev V.S., Smirnov A.V. Flows in Multiple Networks // Yaroslavsky Pedagogichesky Vestnik. 2011. V. 3, №2. P. 60–68 [in Russian]).Рублев В. С., Смирнов А. В. Потоки в кратных сетях // Ярославский педагогический вестник. 2011. Т. 3, №2. С. 60–68 (Rublev V.S., Smirnov A.V. Flows in Multiple Networks // Yaroslavsky Pedagogichesky Vestnik. 2011. V. 3, №2. P. 60–68 [in Russian]).Кондаков А.С., Рублев В.С. Задача сбалансирования матрицы плана // Доклады Одесского семинара по дискретной математике. Одесса: Астропринт, 2005. Вып. 2. С. 24–26 [Kondakov A.S., Roublev V.S. Zadacha sbalansirovaniya matritsy plana // Doklady Odesskogo seminara po diskretnoy matematike. Odessa: Astroprint, 2005. №2. S. 24–26 (in Russian)].Кондаков А.С., Рублев В.С. Задача сбалансирования матрицы плана // Доклады Одесского семинара по дискретной математике. Одесса: Астропринт, 2005. Вып. 2. С. 24–26 [Kondakov A.S., Roublev V.S. Zadacha sbalansirovaniya matritsy plana // Doklady Odesskogo seminara po diskretnoy matematike. Odessa: Astroprint, 2005. №2. S. 24–26 (in Russian)].Коршунова Н.М., Рублев В.С. Задача целочисленного сбалансирования матрицы // Современные проблемы математики и информатики. Ярославль, 2000. Вып. 3. С. 145–150 [Korshunova N.M., Roublev V.S. Zadacha tselochislennogo sbalansirovaniya matritsy // Sovremennye problemy matematiki i informatiki. Yaroslavl, 2000. №3. S. 145–150 (in Russian)].Коршунова Н.М., Рублев В.С. Задача целочисленного сбалансирования матрицы // Современные проблемы математики и информатики. Ярославль, 2000. Вып. 3. С. 145–150 [Korshunova N.M., Roublev V.S. Zadacha tselochislennogo sbalansirovaniya matritsy // Sovremennye problemy matematiki i informatiki. Yaroslavl, 2000. №3. S. 145–150 (in Russian)].Форд Л.Р., Фалкерсон Д.Р. Потоки в сетях. М.: Мир, 1966. 276 с. (Ford L.R., Fulkerson D.R. Flows in Networks. Princeton University Press, 1962. 194 p.).Форд Л.Р., Фалкерсон Д.Р. Потоки в сетях. М.: Мир, 1966. 276 с. (Ford L.R., Fulkerson D.R. Flows in Networks. Princeton University Press, 1962. 194 p.).Рублев В.С., Смирнов А.В. Задача оптимального округления плана валютных счетов // Кибернетика и высокие технологии XXI века. Воронеж: НПФ «Саквоее», 2008. Т. 1. С. 112–123 [Roublev V.S., Smirnov A.V. Zadacha optimalnogo okrugleniya plana valyutnykh schetov // Kibernetika i vysokie tekhnologii XXI veka. Voronezh: NPF “SAKVOEE”, 2008. V. 1. S. 112–123 (in Russian)].Рублев В.С., Смирнов А.В. Задача оптимального округления плана валютных счетов // Кибернетика и высокие технологии XXI века. Воронеж: НПФ «Саквоее», 2008. Т. 1. С. 112–123 [Roublev V.S., Smirnov A.V. Zadacha optimalnogo okrugleniya plana valyutnykh schetov // Kibernetika i vysokie tekhnologii XXI veka. Voronezh: NPF “SAKVOEE”, 2008. V. 1. S. 112–123 (in Russian)].Михайлов Г.А., Войтишек А.В. Численное статистическое моделирование. Методы Монте-Карло. М.: Академия, 2006. 368 c. (Mikhaylov G.A., Voytishek A.V. Chislennoe statisticheskoe modelirovanie. Metody Monte-Karlo. M.: Akademiya, 2006. 368 s. (in Russian)].Михайлов Г.А., Войтишек А.В. Численное статистическое моделирование. Методы Монте-Карло. М.: Академия, 2006. 368 c. (Mikhaylov G.A., Voytishek A.V. Chislennoe statisticheskoe modelirovanie. Metody Monte-Karlo. M.: Akademiya, 2006. 368 s. (in Russian)].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.