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  • 动态规划——流水作业调度问题

    问题:

    n个作业 N={1,2,…,n}要在2台机器M1和M2组成的流水线上完成加工。每个作业须先在M1上加工,然后在M2上加工。M1和M2加工作业 i 所需的时间分别为 ai 和bi,每台机器同一时间最多只能执行一个作业。

    流水作业调度问题要求确定这n个作业的最优加工顺序,使得所有作业在两台机器上都加工完成所需最少时间。最优调度应该是:

    1. 使M1上的加工是无间断的。即M1上的加工时间是所有ai之和,但M2上不一定是bi之和。

    2. 使作业在两台机器上的加工次序是完全相同的。

    则得结论:仅需考虑在两台机上加工次序完全相同的调度。

    为了得到最优子解结构(比较重要~~~~ 老师说期末考试会考到这个):

    —>机器M1开始加工S中作业时,机器M2还在加工其他作业,要等时间 t 后才可利用,则:

      1. 则完成S中作业所需的最短时间记为T(S,t)

      2. 完成所有作业所需的最短时间为T(N,0)

      3. T(N,0)=min{ai + T(N-{i}, bi)},  i∈N。

       ai:选一个作业i先加工,在M1的加工时间。

       T(N-{i},bi}:剩下的作业要等bi时间后才能在M2上加工。注意这里函数的定义,因为一开始工作i是随机取的,M1加工完了ai之后,要开始加工bi了,这里M1是空闲的可以开始加工剩下的N-i个作业了,但此时M2开始加工bi,所以要等bi时间之后才能重新利用,对应到上面函数T(s,t)的定义的话,这里就应该表示成T(N-{i},bi), 所以最优解可表示为T(N,0)=min{ai + T(N-{i}, bi)},  i∈N,即我们要枚举所有的工作i,使这个式子取到最小值。这里顺便吐槽一句:算法中会利用很多数学知识,一定要搞清楚函数的意义以及每个数学符号所代表的含义,这样不至于各种懵比。继续分析T(S,t)可得:

       T(S,t)={ai + T(S-{i}, bi+max{t-ai,0})}, i∈S

         其中:T(S-{i}, bi+max{t-ai,0}):剩下的作业等bi+max{t-ai,0}才能在M2加工,至于这里是怎么推导出来的呢?见下面推导:

             

     最优子结构的证明(问题最优解包括子问题最优解):

     最优子结构:设π是N的一个最优调度,其加工顺序为π1,…, πn,其所需的加工时间为 aπ1+T’(即第一个作业π1在M1上加工的时间和其它的加工时间)。记S=N-{π1},则T’=T(S, bπ1)。

     证明:由T的定义知T(S, bπ1)是对S最优的,故T’>=T(S, bπ1)。若T’>T(S, bπ1),设π’是作业集S在机器M2的等待时间为bπ1情况下的一个最优调度。则π1,π’2, …,π’n是N的一个调度,且该调度所需的时间为aπ1+T’ > aπ1+T(S, bπ1)。这与π是N的最优调度矛盾。故T’<=T(S, bπ1), 从而T’=T(S, bπ1)。最优子结构的性质得证。

     分析:

       这段证明我开始有点云里雾里的(第二遍过来看还是云里雾里的,你妹的),简单来说就是要证明问题的最优解包含子问题的最优解就行了,那么这里的证明思路是先假设一个最优调度,对于他的子调度T’,因为T(S,t)被定义为是完成S中作业所需的最短时间记为T(S,t),所以有T’>=T(S, bπ1),那么如果这个子调度这里不是最优解的话即T’>T(S, bπ1),会得出aπ1+T’ > aπ1+T(S, bπ1)即原来假设的最优调度不符和最优调度的标准,矛盾,从而推出 T’是一定等于T(S, bπ1),即这个子调度也是最优调度。

    问题是:虽然满足最优子结构性质,也在一定程度满足子问题重叠性质。N的每个非空子集都计算一次,共2n-1次,指数级的。

    为了解决这个问题引入Johnson不等式:

    这上面的数学推导简直看得蛋疼。。。。。。, 记住结论就好:先把所有作业的ai和bi放在一起,从这之中选个最小的,如果是bi的话这个作业i就放最后,如果是ai的话这个作业就放最前,把这个已经安排好的作业从作业集中删除。重复上述步骤即可。

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