Nolinchi bosilgan qarorlar diagrammasi - Zero-suppressed decision diagram

A nol bosilgan qarorlar diagrammasi (ZSDD yoki ZDD) ma'lum bir turdagi ikkilik qarorlar diagrammasi (BDD) o'zgaruvchan buyurtma bilan. Bu ma'lumotlar tuzilishi to'plamlarning kanonik ravishda ixcham ko'rinishini ta'minlaydi, ayniqsa ma'lum uchun mos kombinatoriya muammolari. OBDD-ni qisqartirish strategiyasini eslang, ya'ni ikkala tashqi chekkalari bir xil tugunga ishora qilsa, tugun qaror daraxtidan o'chiriladi. Aksincha, ZDD-dagi tugun, agar uning ijobiy chekkasi terminal tuguniga ishora qilsa 0 o'chiriladi. Bu siyrak to'plamlarning siqilishini yaxshilagan holda muqobil kuchli normal shaklni beradi. Bu tomonidan ishlab chiqilgan kamaytirish qoidasiga asoslanadi Shin-ichi Minato 1993 yilda.

Fon

A Ikkilik qarorlar diagrammasi, a Mantiqiy funktsiya ildiz otgan, yo'naltirilgan, asiklik grafik, bir nechta qaror tugunlari va terminal tugunlaridan iborat. 1993 yilda yaponiyalik Shin-ichi Minato o'zgargan Randal Brayant Hal qilish uchun BDD-lar kombinatoriya muammolari. Uning "Nol bilan bostirilgan" BDD-lari vakili va manipulyatsiya qilishni maqsad qilgan bit vektorlarining siyrak to'plamlari. Agar muammo uchun ma'lumotlar uzunlik n uzunlikdagi vektorlar sifatida ifodalanadigan bo'lsa, u holda vektorlarning istalgan kichik to'plami o'zgaruvchilar tayinlanishiga mos keladigan vektor to'plamda bo'lganda 1 beradigan n o'zgaruvchiga nisbatan mantiqiy funktsiya bilan ifodalanishi mumkin.

Brayantning so'zlariga ko'ra, shakllaridan foydalanish mumkin mantiqiy funktsiyalar mahsulot summasi bilan bog'liq muammolarni ifoda etish. Bunday shakllar ko'pincha "kublar" to'plamlari sifatida ifodalanadi, ularning har biri 0, 1 va - belgilarini o'z ichiga olgan qator bilan belgilanadi. Masalan, funktsiya to'plam bilan tasvirlangan bo'lishi mumkin . 1, 0 va - belgilarini belgilash uchun mos ravishda 10, 01 va 00 bitlardan foydalanib, yuqoridagi to'plamni bit vektorlari bilan ifodalash mumkin. . Bit vektorlari to'plami siyrak ekanligiga e'tibor bering, chunki vektorlar soni 2 dan kamn, bu bit vektorlarining maksimal soni va to'plamda nolga teng ko'plab elementlar mavjud. Bunday holda, agar tugun o'zgaruvchisini 1 ga o'rnatish funktsiyani 0 hosil bo'lishiga olib keladigan bo'lsa, tugunni qoldirib qo'yish mumkin, bu ba'zi bir bit pozitsiyasida 1 vektor to'plamda emasligini anglatadi. Noyob to'plamlar uchun bu holat odatiy holdir va shuning uchun ko'plab tugunlarni yo'q qilish mumkin.

Minato ZDD-larning ayniqsa mos ekanligini isbotladi kombinatoriya muammolari kabi klassik muammolar kabi ikki darajali mantiqni minimallashtirish, ritsarning tur muammosi, xatolarni simulyatsiya qilish, vaqtni tahlil qilish, qirolichalar muammosi, shuningdek, zaif bo'linish. ZDD-lardan foydalanib, OBDD-larda n-bitli vektorlar to'plamining namoyishi hajmini ko'pi bilan n marta kamaytirish mumkin. Amalda optimallashtirish statistik jihatdan ahamiyatli.

Ta'riflar

Biz nolga tenglashtirilgan qarorlar diagrammasini (ZDD) har qanday yo'naltirilgan asiklik grafik sifatida belgilaymiz:

1. A terminal tuguni ham:
  • ⊤ maxsus tugun (TRUE tugun) yoki:
  • ⊥ maxsus tugun (FALSE tuguni).
2. Terminal bo'lmagan har bir tugun quyidagi shartlarni qondiradi:
a. Tugun musbat v raqami bilan belgilanadi. Ushbu yorliq noyob bo'lishi shart emas.
b. Tugunning tashqi darajasi 2 ga teng. Chiqib ketgan qirralarning biri "LO", ikkinchisi "HI" deb nomlangan. (Diagrammalarda LO qirralari uchun nuqta chiziqlar va HI qirralari uchun qattiq chiziqlar chizilishi mumkin)
v. Belgilangan tugun yoki terminaldan yoki v dan kattaroq tamsayı bilan belgilanadi, shuning uchun diagrammada o'q uchlarini tashlab qo'yish mumkin, chunki chekka yo'nalishlarini yorliqlar shaklida chiqarish mumkin.
d. HI qirrasi hech qachon ⊥ tugunni ko'rsatmaydi.
3. Darajasi nolga teng bo'lgan bitta tugun bor - ildiz tuguni. Ildiz tuguni yoki terminalda yoki diagrammada eng kichik butun son bilan belgilanadi.
4. Agar ikkita tugun bir xil yorliqqa ega bo'lsa, unda ularning LO yoki HI qirralari turli tugunlarga ishora qiladi. Boshqacha qilib aytganda, ortiqcha tugunlar mavjud emas.

Agar HI chekkasi ⊥ tuguniga ishora qilsa yoki 4 shart bajarilmasa, biz Z ni kamaytirilmagan ZDD deb ataymiz.

Shakl 1 va Shakl 2: ZDD tugunini yo'q qilish va tugunlarni taqsimlash

Kompyuter dasturlarida mantiqiy funktsiyalar bit bilan ifodalanishi mumkin, shuning uchun ⊤ tugun va ode tugun 1 va 0 bilan ifodalanishi mumkin. Yuqoridagi ta'rifdan biz BDD larga ikkita qoidalarni qo'llash orqali kombinatsiyalar to'plamlarini samarali tarzda namoyish eta olamiz:

1. 1 qirrasi 0-terminal tuguniga yo'naltirilgan barcha tugunlarni yo'q qiling. Keyin 1-rasmda ko'rsatilgandek chekkani to'g'ridan-to'g'ri boshqa subgrafga ulang.
2. Barcha ekvivalent pastki grafikalarni asl BDD-lar bilan bir xil ulashing.

Agar kiritilgan o'zgaruvchilarning soni va tartibi aniqlangan bo'lsa, nol bosilgan BDD mantiqiy funktsiyani noyob tarzda ifodalaydi (2-rasmda isbotlanganidek, mantiqiy ikkilik daraxtni ko'rsatish uchun BDD dan foydalanish mumkin).

To'plamlar oilasini aks ettiradi

$ F $ ZDD bo'lsin. V uning ildiz tuguni bo'lsin. Keyin:

1. Agar v = ⊥ bo'lsa, unda boshqa tugunlar bo'lishi mumkin emas va F Ø ni, bo'sh oilani anglatadi.
2. Agar v = ⊤ bo'lsa, unda boshqa tugunlar bo'lishi mumkin emas va F faqat bo'sh {0} to'plamni o'z ichiga olgan oilani anglatadi. Biz buni oilaviy oila deb ataymiz va uni belgilaymiz.
3. Agar v ning ikki farzandi bo'lsa. V0 - LO tuguni, v1 - HI tuguni bo'lsin. Fi, induksiyani isbotlash orqali ko'rsatilishi mumkin bo'lgan vi-ga asoslangan ZDD tomonidan ifodalangan oila bo'lsin. Keyin F oilani anglatadi

LO filialini F tarkibidagi to'plamlar sifatida ifodalash mumkin v:

Va HI filiali o'z ichiga olgan F to'plamlari sifatida v:

3-rasm: ZDDdagi boshlang'ich oila
4-rasm:

Misol

5-rasm:
6-rasm:

3-rasm: Oila . Biz buni chaqirishimiz mumkin , boshlang'ich oila. Boshlang'ich oilalar shakldan iborat , va bilan belgilanadi .

4-rasm: Oila

5-rasm: Oila

6-rasm: Oila

Xususiyatlari

ZDD-larning bir xususiyati shundaki, kombinatsiya to'plamlari bir xil bo'lgan ekan, shakl kirish o'zgaruvchilar soniga bog'liq emas. Grafiklarni yaratishdan oldin kiritilgan o'zgaruvchilar sonini tuzatish kerak emas. ZDD-lar hech qachon kombinatsiyalashmagan ko'rinadigan ob'ektlar uchun o'zgaruvchini avtomatik ravishda bostiradi, shuning uchun siyrak kombinatsiyalarni boshqarish samaradorligi. ZDDlarning yana bir afzalligi shundaki, grafadagi 1 ta yo'lning soni kombinatsiya to'plamidagi elementlar soniga to'liq teng. Asl BDD-larda tugunni yo'q qilish ushbu xususiyatni buzadi. Shu sababli, ZDD-lar oddiy BDD-lardan ko'ra kombinatsion to'plamlarni namoyish etish uchun yaxshiroqdir. Biroq, 7-rasmda ko'rsatilgandek, oddiy mantiqiy funktsiyalarni ifodalashda asl BDD-lardan foydalanish yaxshiroqdir.

7-rasm: Bit bilan ishlov berish va asosiy operatsiyalar. Shakl 8: ahamiyatsiz o'zgaruvchilarni bostirish

Asosiy operatsiyalar

Bu erda biz ZDD-lar uchun asosiy operatsiyalar mavjud, chunki ular asl BDD-larnikidan bir oz farq qiladi. Quyidagi jadvaldan olingan misollar uchun 8-rasmga murojaat qilish mumkin.

Empty () ø (bo'sh to'plam) qaytaradi
Base () {0} ni qaytaradi
Subset1 (P, var) kabi P ning pastki qismini qaytaradi var = 1
Subset0 (P, var) kabi P ning pastki qismini qaytaradi var = 0
Change (P, var) qachon P ni qaytaradi var teskari
Union (P, Q) qaytaradi ()
Intsec (P, Q) qaytaradi ()
Diff (P, Q) qaytaradi ()
Count (P) qaytadi . (elementlar soni)

ZDD-larda asl BDD-larda muhim operatsiya bo'lgan NOT operatsiyasi mavjud emas. Sababi komplementning to'plami universal to'plamni aniqlamasdan hisoblash mumkin emas . ZDD-larda, Diff (U, P) sifatida hisoblash mumkin.

Algoritmlar

Aytaylik , biz ZDD-dagi to'plamlar sonini rekursiv ravishda hisoblashimiz mumkin, bu esa 34 kishidan iborat 54 kishilik oilani olishimizga imkon beradi. Tasodifiy kirish tezdir va bir qator to'plamlar uchun har qanday operatsiyani ZDD-da samaradorlik bilan bajarish mumkin.

Minatoning so'zlariga ko'ra, ZDD-lar uchun yuqoridagi operatsiyalar asl BDD-lar kabi rekursiv tarzda bajarilishi mumkin. Algoritmlarni sodda tarzda tavsiflash uchun biz protsedurani aniqlaymiz Getnode (yuqori, P0, P1) bu o'zgaruvchan yuqori qism uchun tugunni va ikkita P0 va P1 subgrafalarini qaytaradi. Har bir tugunni noyob saqlash uchun biz uniq-jadval deb nomlangan xesh jadvalidan foydalanishimiz mumkin. Tugunlarni yo'q qilish va almashish faqat tomonidan boshqariladi Getnode ().

 Getnode (top, P0, P1) {if (P1 == ø) return P0; / * tugunni yo'q qilish * / P = unik-jadvalda (top, P0, P1) bo'lgan tugunni qidirish; agar (P mavjud bo'lsa) P ni qaytaradi; / * tugunni taqsimlash * / P = bilan tugun hosil qilish (yuqori, P0, P1); uniq-jadvalga P qo'shib qo'ying; qaytish P; }

Foydalanish Getnode (), keyin biz boshqa asosiy operatsiyalarni quyidagicha ifodalashimiz mumkin:

 Subset1 (P, var) {if (P.top  var) return Getnode (P.top, Subset1 (P0, var), Subset1 (P1, var)); } 
 Ichki to'plam0 (P, var) {if (P.top  var) return Getnode (P.top, Subset0 (P0, var), Subset0 (P1, var)); } 
 Change (P, var) {if (P.top  var) return Getnode (P.top, Change (P0, var), Change (P1, var)); } Birlashma (P, Q) {if (P == ø) qaytish Q; agar (Q == ø) qaytish P; agar (P == Q) qaytish P; if (P.top> Q.top) return Getnode (P.top, Union (P0, Q), P1); agar (P.top 
 Intsec (P, Q) {if (P == ø) return ø; agar (Q == ø) qaytish ø; agar (P == Q) qaytish P; if (P.top> Q.top) return Intsec (P0, Q); agar (P.top 
 Diff (P, Q) {if (P == ø) return ø; agar (Q == ø) qaytish P; agar (P == Q) qaytish ø; if (P.top> Q.top) return Getnode (P.top, Diff (P0, Q), P1;) if (P.top 
 Count (P) {if (P == ø) return 0; if (P == {ø}) return 1; qaytish Count (P0) + Count (P1); }

Ushbu algoritmlar eng yomon holatda o'zgaruvchilar soni uchun eksponent vaqtni oladi; ammo, biz BDD formatidagi so'nggi operatsiyalar natijalarini eslab qoluvchi kesh yordamida ishlashni yaxshilay olamiz. Kesh ekvivalent pastki grafikalar uchun takroriy ijrolarning oldini oladi. Hech qanday dublikatlarsiz algoritmlar 9 va 10-rasmlarda ko'rsatilgandek, grafikalar hajmiga mutanosib bo'lgan vaqtda ishlashi mumkin.

Shakl 9: N-Queens muammosidagi natijalar Shakl 10: ZDDlarning BDD-larga nisbatan ishlashi

Ilova

ZDDlar lug'at sifatida

ZDD-lardan ingliz tilidagi beshta harfli so'zlarni, o'rnatilgan so'zlar (5757 o'lchovli) ifodalash uchun foydalanish mumkin. Stenford GraphBase Masalan, buning bir usuli funktsiyani ko'rib chiqishdir agar beshta raqam bo'lsa, bu 1 deb belgilangan , , ..., inglizcha so'zning harflarini kodlash, qaerda , ..., . Masalan,. 25 o'zgaruvchining funktsiyasi Z (f) = 6233 tugunga ega - bu 5757 so'zni ifodalash uchun juda yomon emas. ikkilik daraxtlar, harakat qiladi, yoki xash jadvallar, ZDD oddiy qidiruvlarni bajarish uchun eng yaxshi bo'lmasligi mumkin, ammo u faqat qisman ko'rsatilgan ma'lumotlarni yoki taxminan bitta kalitga mos kelishi kerak bo'lgan ma'lumotlarni olishda samarali bo'ladi. Murakkab so'rovlarni osonlikcha ko'rib chiqish mumkin. Bundan tashqari, ZDDlar juda ko'p o'zgaruvchini o'z ichiga olmaydi. Darhaqiqat, ZDD-dan foydalanib, o'sha beshta harfli so'zlarni siyrak funktsiya sifatida ko'rsatish mumkin 26 × 5 = 130 o'zgaruvchiga ega, bu erda o'zgaruvchan masalan, ikkinchi harf "a" ekanligini aniqlaydi. "Aqldan ozgan" so'zini ifodalash uchun F ni qachon rostlash mumkin va boshqa barcha o'zgaruvchilar 0. Demak, F ni 5757 ta kichik to'plamlardan tashkil topgan oila deb hisoblash mumkin va hokazo. Ushbu 130 o'zgaruvchida ZDD kattaligi Z (F) 6233 o'rniga 5020 ga teng. Knutga ko'ra BDD yordamida B (F) ning ekvivalent kattaligi 46,189 - Z (F) ga nisbatan ancha katta. Shunga o'xshash nazariyalar va algoritmlarga ega bo'lishiga qaramay, ZDDlar ushbu muammo bo'yicha BDD-lardan ancha katta foyda olishadi, shuning uchun ZDDlar bizga BDD uchun juda og'ir bo'lgan ba'zi bir so'rovlarni bajarishga imkon beradi. Murakkab oilalar boshlang'ich oilalardan osonlikcha qurilishi mumkin. Muayyan naqshni o'z ichiga olgan so'zlarni qidirish uchun ZDD-larda oilaviy algebra yordamida hisoblash mumkin bu erda P - naqsh, masalan .

Shakl 11: uchdan uchgacha panjara

Oddiy yo'llarni ko'rsatish uchun ZDD-lar

Vakil qilish uchun ZDD-lardan foydalanish mumkin oddiy yo'llar ichida yo'naltirilmagan grafik. Masalan, uchdan uchta panjaraning yuqori chap burchagidan (11-rasmda ko'rsatilgan) pastki o'ng burchakka, biron bir nuqtaga ikki marta tashrif buyurmasdan borishning 12 yo'li mavjud.

12-rasm: Bir burchakdan ikkinchi diagonal burchakka o'tish uchun 12 ta mumkin yo'l

Ushbu yo'llar 13-rasmda ko'rsatilgan ZDD bilan ifodalanishi mumkin. Ushbu ZDD-da biz HD shoxlarini 13 tugun, 36 tugun, 68 tugun va ZDD ning 89-tuguni (oddiygina ⊥ ga o'tadigan LO filiallari) orqali olishimiz mumkin. chiqarib tashlangan). Garchi 13-rasmdagi ZDD hech qanday ma'noga ega ko'rinmasa ham, ZDD ning afzalliklari panjara kattalashgan sari ravshan bo'ladi. Masalan, sakkiz-sakkizta panjara uchun burchakdan burchakka oddiy yo'llar soni 789, 360,053,252 (Knuth) ga aylanadi. Yo'llarni ZDD yordamida 33580 tugun bilan tasvirlash mumkin.

Shakl 13: Uchdan uchta panjaraning oddiy yo'llari uchun ZDD

Oddiy yo'llar uchun haqiqiy dunyo namunasini Randal Brayant taklif qilgan edi: «Men shtatlarning kapitoliylarini ziyorat qilib, har bir shtatdan bir martagina o'tib, kontinental AQSh bo'ylab sayohatga sayohat qilmoqchi edim. Umumiy masofani minimallashtirish uchun qanday marshrutni tanlashim kerak? " 14-rasmda ushbu yo'l xaritasi uchun yo'naltirilmagan grafik ko'rsatilgan, raqamlar qo'shni poytaxtlar orasidagi eng qisqa masofani bildiradi. Muammo shundaki, bu qirralarning a ni tashkil etuvchi kichik qismini tanlash Gemilton yo'li eng kichik umumiy uzunligi. Har bir Gemilton yo'li ushbu grafada Avgusta (Men) (ME) da boshlanishi yoki tugashi kerak. Deylik, bittasi CAda boshlanadi. CA dan ME gacha bo'lgan barcha yo'llarni tavsiflovchi ZDD ni topish mumkin. Knutning so'zlariga ko'ra, ushbu ZDD faqat 7850 ta tugunga ega bo'lib chiqadi va bu aniq CA dan ME ga 437,525,772,584 oddiy yo'llar mumkinligini ko'rsatadi. Qirralarning soni bo'yicha ishlab chiqarish funktsiyasi

                      ;

shuning uchun eng uzun bunday yo'llar hajmi 2,707,075 bo'lgan Hamiltonian. Bunday holda ZDDlar oddiy yo'llar va uchun samarali bo'ladi Gemilton yo'llari.

14-rasm: AQSh kontinental davlatlarining yo'naltirilmagan grafigi

Sakkiz qirolichaning muammosi

Shaxmat taxtasidagi kvadratlarni ko'rsatish uchun 64 ta o'zgaruvchini aniqlang. Har bir o'zgaruvchi bu kvadratda malikaning borligini yoki yo'qligini bildiradi. Buni o'ylab ko'ring,

  • Muayyan ustunda faqat bitta o'zgaruvchi "1" dir.
  • Muayyan qatorda faqat bitta o'zgaruvchi "1" dir.
  • Muayyan diagonal chiziqda bitta yoki yo'q o'zgaruvchi "1" dir.

Ushbu muammoni OBDDlarni qurish orqali hal qilish mumkin bo'lsa-da, ZDDlardan foydalanish samaraliroq. 8-Queens muammosi uchun ZDD tuzish uchun S1 dan S8 gacha bo'lgan 8 ta qadam kerak. Har bir qadam quyidagicha aniqlanishi mumkin:

S1: malika birinchi qatorga qo'yishning barcha tanlovlarini aks ettiradi.
S2: Birinchi malikani buzmaslik uchun malika ikkinchi qatorga qo'yishning barcha tanlovlarini aks ettiradi.
S3: oldingi qirolichalarni buzmasligi uchun uchinchi qatorga malika qo'yishning barcha tanlovlarini aks ettiradi.
S8: oldingi malikalarni buzmasligi uchun qirolichani sakkizinchi qatorga qo'yishning barcha tanlovlarini aks ettiradi.

S8 uchun ZDD 8-Queens muammosining barcha potentsial echimlaridan iborat. Ushbu maxsus muammo uchun keshlash algoritmning ish faoliyatini sezilarli darajada yaxshilashi mumkin. Ikki nusxadagi nusxalardan qochish uchun keshdan foydalanish N-Queens muammolarini faqat 10-rasmda ko'rsatilgan asosiy operatsiyalardan (yuqorida aytib o'tilganidek) foydalanishga qaraganda 4,5 baravar tezroq yaxshilashi mumkin.

Ritsarning tur muammosi

Ritsarning turistik muammosi tarixiy ahamiyatga ega. Ritsar grafasida shaxmat taxtasi kvadratlarini tasvirlash uchun n2 tepalik mavjud. Chegaralari ritsarning qonuniy harakatlarini aks ettiradi. Ritsar taxtaning har bir maydoniga aniq bir marta tashrif buyurishi mumkin. Olaf Shryer, M. Löbbing va Ingo Vogener ushbu muammoga, ya'ni taxtada, grafikaning har bir qirrasi uchun mantiqiy o'zgaruvchilar berib, barcha qirralarni belgilash uchun jami 156 o'zgaruvchiga ega bo'lish orqali murojaat qilishdi. Muammoning echimi 156 bitli birikma vektori bilan ifodalanishi mumkin. Minatoning so'zlariga ko'ra, barcha echimlar uchun ZDD qurilishi to'g'ridan-to'g'ri hal qilish uchun juda katta. Bo'lish va zabt etish osonroq. Muammolarni doskaning ikki qismiga ajratish va pastki bo'shliqlarda ZDDlarni qurish orqali Knightning tur muammosini har bir yechim 64 ta qirradan hal qilishi mumkin. Biroq, grafik juda kam bo'lmaganligi sababli, ZDD-lardan foydalanishning afzalligi shunchalik aniq emas.

Xatolarni simulyatsiya qilish

N. Takahashi va boshqalar xatolarni simulyatsiya qilish usulini taklif qilishdi, chunki OBDD yordamida bir nechta nosozliklar berilgan. Ushbu deduktiv usul nosozliklar to'plamini birlamchi kirishdan asosiy chiqishga uzatadi va birlamchi chiqishda nuqsonlarni ushlab turadi. Ushbu usul birlashtirilmagan kubikli ifodalarni o'z ichiga olganligi sababli, ZDDlar samaraliroq. Yagona kublar to'plamidagi ZDD-lardan olingan optimallashtirishlar shuni ko'rsatadiki, ZDDlar VLSI SAPR tizimlarini ishlab chiqishda va boshqa ko'plab dasturlarda foydali bo'lishi mumkin.

Shuningdek qarang

Mavjud paketlar

  • CUDD: BDD va ZBDDlarni amalga oshiradigan, C tilida yozilgan BDD to'plami, Kolorado universiteti, Boulder
  • JDD, Umumiy BDD va ZBDD operatsiyalarini amalga oshiradigan java kutubxonasi
  • Grafillion, Python asosida ishlaydigan ZDD dasturiy ta'minoti
  • [1], Donald Knut tomonidan CWEB ZDD dasturi.

Adabiyotlar

Tashqi havolalar