多重分配/矩阵最大化

Posted 2023-02-22

【中文标题】多重分配/矩阵最大化

【英文标题】：Multiple Assignment / Matrix Maximization

【发布时间】：2012-11-17 14:40:22

【问题描述】：

我想知道是否有人可以指出一种有效的方法来做到这一点：

最大化 6 行 x 10 列数组中所选元素的总和，使得每列恰好选择 3 个元素，每行选择 5 个元素。

我看不到将分配问题（和匈牙利算法）扩展到此任务的简单方法。我们需要为更大的问题做数千次这样的操作，所以暴力是不可能的。

【问题讨论】：

这类问题如果想在一般情况下最优解，一般都是NP。

我明白了。您能否指出一个您已经解决的“此类问题”？

可以表示为整数规划问题：en.wikipedia.org/wiki/Integer_programming。在这种情况下，变量是每个单元格是否被选中，因此是一个 0-1 整数规划问题。

【参考方案1】：

正如 Vaughn 所写，解决问题的一种快速简便的方法是将其转换为 Integer Linear Programming 问题，然后使用众多专业求解器之一来解决它。所以，让我们开始吧！

建模

首先，我们需要一种建模语言。我将使用 GNU 建模语言 MathProg，它与 AMPL 的（一个子集）非常相似。

我们问题的一般模型：(max.mod)

param rows;
param columns;
param matrixi in 1..rows, j in 1..columns; # the input matrix

## the variables of our problem. choose[i,j] = 1 means that we 
## pick element (i,j), otherwise is choose[i,j] = 0
var choosei in 1..rows, j in 1..columns binary; 

## the linear function we want to maximize: the sum of all the 
## choosen elements in the matrix.
maximize Sum:
    sumi in 1..rows, j in 1..columns choose[i,j] * matrix[i,j];

## first linear constraint: we have to choose exactly 3 elements for each column
subject to Colsj in 1..columns:
    sumi in 1..rows choose[i,j] = 3;

## second linear constraint: we have to choose exactly 5 elements for each row
subject to Rowsi in 1..rows:
    sumj in 1..columns choose[i,j] = 5;

solve;

## to print the solution
printf "Solution: \n";
fori in 1..rows

    forj in 1..columns
    
        printf (if choose[i,j] = 1 then "%d " else "- "), matrix[i,j];
    
    printf "\n";

printf "\nSum = %d", sumi in 1..rows, j in 1..columns choose[i,j]*matrix[i,j];

我们也需要一个数据文件：(max.dat)

param rows := 6;
param columns := 10;

param matrix : 
    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 :=
1   1 6 9 1 0 7 5 4 3 2
2   9 7 4 6 4 3 2 1 4 9
3   9 6 4 3 2 1 5 7 8 9
4   6 5 4 3 7 8 9 6 4 2
5   7 5 4 3 2 8 9 6 7 8 
6   9 7 6 5 3 9 6 3 2 1;

解决

现在我们需要一个求解器。我将在命令行中使用漂亮的GLPK（GNU 线性编程工具包），但它有一组漂亮的接口，可用于多种编程语言。

alberto@alberto-notebook:~/Desktop$ glpsol --model max.mod --data max.dat

INTEGER OPTIMAL SOLUTION FOUND
Time used:   0.0 secs
Memory used: 0.2 Mb (235703 bytes)

Solution: 
- 6 9 - - 7 5 - 3 - 
9 7 - 6 4 - - - - 9 
9 - - 3 - - - 7 8 9 
- - 4 - 7 8 9 6 - - 
- - - - - 8 9 6 7 8 
9 7 6 5 3 - - - - - 

Sum = 203

【讨论】：

感谢您提供此解决方案！实际上，我们刚刚对匈牙利算法进行了修改以解决我们的问题，但我会检查每个算法的效率并在某个时候报告。

@nair.ashvin 你检查过每种方法的效率吗？

不，我们最终没有使用上面的线性规划方法。