Книга Кому нужна математика? Понятная книга о том, как устроен цифровой мир - Андрей Райгородский

Проклятие размерности

Сложность задач оптимизации заключается в невообразимом множестве возможных решений. Чтобы продемонстрировать масштаб проблемы, давайте посмотрим на самый простой вариант расписания.

У нас есть один прибор, на котором нужно выполнить 25 заданий. Спрашивается: в каком порядке выгоднее всего это делать? «Выгода» может зависеть от срока выполнения, времени, проведенного в очереди, и других факторов.

Задача непростая, о ней написана не одна диссертация. Но, допустим, мы решили поступить наипростейшим образом. Берем самый мощный компьютер и пишем программу, которая считает прибыль и убытки для каждой возможной последовательности заданий. После этого выбираем наиболее выгодную последовательность.

Теоретически все правильно. Но прежде чем запустить программу, давайте посчитаем, сколько разных последовательностей ей придется перебрать.

На первое место можно поставить любое из 25 заданий. Для каждого из 25 вариантов для первого места у нас есть 24 варианта для второго места. Получается, что первые два места можно заполнить

25 × 24 = 600

способами. Продолжаем: 23 варианта для третьего места, 22 – для четвертого и так далее. Всего у нас получается

25 × 24 × 23 × 22 × 21 × 20 × 19 × 18 × 17 × 16 × 15 × 14 × 13 × 12 × 11 × 10 × 9 × 8 × 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 15511210043330985984000000

способов.

Это число называется двадцать пять факториал и обозначается «25!». Насколько оно велико? Если взять современный процессор с тактовой частотой 2 ГГц (2 млрд операций в секунду), то для выполнения такого количества операций ему понадобится 245 млн лет! А на то, чтобы просчитать все варианты, с прибылью и убытками, да еще и перемещать информацию в памяти компьютера, – и того больше. А ведь задачка казалась совсем простой, всего один прибор, всего 25 заданий. Не сравнить с серьезным современным производством.

Такое явление называется проклятием размерности. Даже при скромном количестве вводных данных степень свободы в выборе решения колоссальна. Перебрать все варианты просто невозможно. Значит, понадобятся другие подходы, более умные и нетривиальные, и именно для этого нужна математика.

Для некоторых задач удается найти гарантированно лучший ответ относительно быстро. Но для целого разряда так называемых NP-трудных задач, как, например, упомянутая выше задача об упаковке, сложно придумать метод, который работал бы намного быстрее, чем тривиальный полный перебор всех вариантов. Удастся ли когда-нибудь? Это открытый вопрос, но большинство ученых считают, что нет, потому что таких методов просто не существует. Многие практические задачи NP-трудные. В этом случае математики стремятся к быстрым и «почти» оптимальным решениям. А на практике приходится мириться с тем, что ответ достаточно хороший, но не всегда самый выгодный из возможных.

Разных методик для разных задач придумано множество. Мы расскажем о линейном программировании. Это мощная и уже ставшая классической теория, которая невероятно успешно применяется на практике.

Линейное программирование

Как возникают задачи линейного программирования, мы объясним на еще одном простом примере.

Допустим, у нас есть два склада: на северном и на южном конце города. В офис поступили заказы от двух клиентов. Клиент А заказал 60 листов железа, а клиент Б – 40 листов. На южном складе у нас в наличии 70 листов железа, а на северном – 35, то есть общего запаса хватает. Но мы хотим свести расходы на доставку к минимуму. Цены доставки приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Пример цен доставки

Спрашивается: сколько листов отправить клиентам А и Б с южного склада, а сколько – с северного?

Все было бы просто, если бы мы могли доставить весь товар с «дешевого» южного склада. Но, к сожалению, там всего 70 листов, на обоих клиентов не хватит. А поскольку северный склад гораздо дороже, решение не очевидно.

Как же его найти? В нашем конкретном примере, в принципе, можно пойти путем перебора всех вариантов. Но если количество клиентов и складов увеличится, решить задачу вручную не удастся. Поэтому давайте посмотрим, как это сделать с помощью математики. Для начала, как учили в средней школе, введем переменные.

Клиенту А с южного склада доставлено АЮ листов железа. Тогда с северного склада клиенту А доставлено (60 – АЮ) листов. Аналогично клиенту Б с южного склада доставлено БЮ листов железа, а с северного – (40 – БЮ) листов. Теперь по табл. 2.1 можно рассчитать общую стоимость доставки:

5 × АЮ + 7 × (60 − АЮ) + 10 × БЮ + 15 × (40 − БЮ) (рублей)

Если раскрыть скобки, то получается:

общая стоимость доставки = 1020 − 2 × АЮ − 5 × БЮ (рублей) (2.1)

Нам нужно выбрать АЮ и БЮ так, чтобы стоимость была как можно меньше.

Но это еще не все. АЮ и БЮ нельзя выбрать просто так. В задаче есть существенные ограничения. Во-первых, мы не будем отправлять клиентам больше листов, чем они просили. Клиент А заказал 60 листов, а клиент Б – 40 листов. Поэтому в любом случае

АЮ ≤ 60, (2.2)

БЮ ≤ 40. (2.3)

Во-вторых, нужно учесть, что запас на каждом складе ограниченный. С южного склада мы отправляем АЮ + БЮ листов, а всего на этом складе 70 листов. Поэтому АЮ + БЮ не больше 70:

АЮ + БЮ ≤ 70. (2.4)

Аналогично с северного склада мы не можем отправить больше 35 листов:

(40 – АЮ) + (60 – БЮ) ≤ 35.

Раскрыв скобки в этом выражении, получаем:

АЮ + БЮ ≥ 65. (2.5)

Это ограничение можно интерпретировать еще и так: поскольку на северном складе 35 листов, а нам в совокупности необходимо доставить 100 листов, то как минимум 65 листов должны быть доставлены с южного склада.

Вот теперь все! Это и есть задача линейного программирования: нам нужно минимизировать стоимость, которая задана выражением (2.1), и при этом соблюсти ограничения (2.2) (2.5). Внизу, во врезке, задача приведена в окончательном варианте.

Задача линейного программирования

Выбрать АЮ и БЮ так, чтобы минимизировать:

1020 − 2 × АЮ − 5 × БЮ,

при ограничениях: