01204512/congestion1

หน้านี้เป็นเอกสารประกอบวิชา 01204512

เนื้อหายังไม่เรียบร้อย... น่าจะแก้เสร็จภายในวันนี้ (หลังเลิกเรียน)

ปัญหา congestion minimization

ให้กราฟ $G=(V,E)$ และเซตของคู่ของจุดยอด $(s_{1},t_{1}),(s_{2},t_{2}),\ldots ,(s_{k},t_{k})$ จำนวน $k$ คู่ เราต้องการหาเซตของเส้นทาง (path) ที่เชื่อมจุดยอดแต่ละคู่ โดยต้องการทำให้จำนวน path ที่ผ่านเส้นเชื่อมใด ๆ มีค่าน้อยที่สุด (เราจะเรียกจำนวนผ่านที่ผ่านเส้นเชื่อมใด ๆ ว่าเป็น congestion ของเส้นเชื่อมนั้น)

คำตอบใด ๆ ของปัญหานี้ คือเซตของ path จำนวน $k$ เส้น แต่เราต้องการให้ path เหล่านี้ กระจายกันไป path เหล่านี้ทำให้เกิด congestion บนเส้นเชื่อม เป้าหมายที่เราต้องการจะทำให้มีค่าต่ำสุดของปัญหานี้คือ congestion ที่มากที่สุดบนเส้นเชื่อมใด ๆ

ถ้าเขียนให้ชัดเจนก็คือ เราต้องการจะ:

หา path: $p_{1},p_{2},\ldots ,p_{k}$

ที่ $p_{i}$ เชื่อมระหว่าง $s_{i}$ กับ $t_{i}$ สำหรับ $1\leq i\leq k$

เพื่อจะ minimize $\max _{e\in E}c(e)$

เมื่อ $c(e)$ คือจำนวน path ที่ผ่านเส้นเชื่อม $e$

ปัญหานี้อาจจะยากสักหน่อย เราจะพิจารณาปัญหาที่ง่ายลง แทนที่เราจะ minimize ค่า congestion ที่สูงที่สุด เราจะ minimize ค่าเฉลี่ยของ congestion กล่าวคือ เราจะ:

minimize ${\frac {1}{m}}\sum _{e\in E}c(e)$, เมื่อ $m$ แทนจำนวนเส้นเชื่อม

สังเกตว่าผลรวมของ congestion บนทุก ๆ เส้นเชื่อมนั้น เท่ากับผลรวมของความยาวของทุก ๆ path ดังนั้นเป้าหมายที่เราต้องการจะ minimize คือ

${\frac {\sum _{i}\ell (p_{i})}{m}}$

ซึ่งปัญหานี้ เราสามารถแก้ได้โดยง่าย โดยใช้อัลกอริทึมสำหรับ shortest path

สังเกตเพิ่มเติมว่า ค่าคำตอบของปัญหา average congestion minimization นี้ เป็น lower bound ของค่าของคำตอบของปัญหา congestion minimization (เพราะอะไร?) ดังนั้น ถ้าเราจะแก้ปัญหา congestion minimization โดยการใช้วิธีของปัญหาแรกเลยจะได้หรือไม่?

ถ้าเราพิจารณาให้ดี เราจะพบว่า มีตัวอย่างง่าย ๆ ที่ผลลัพธ์ที่ได้ มี congestion เท่ากับ $k$ ในขณะที่คำตอบที่ดีที่สุดให้ congestion แค่ 1 เท่านั้น

(รอเพิ่มรูป)

สังเกตว่าทุก ๆ path จะพยายามไปใช้เส้นทางที่สั้นที่สุดพร้อม ๆ กันหมด เราจะพยายามแก้ปัญหานี้โดยการทำให้เส้นทางที่สั้นที่สุดมีความ "น่าใช้" ลดลงเรื่อย ๆ เราจะทดลองหลาย ๆ แบบ

การปรับระยะทางแบบเชิงเส้น

เราจะปรับความยาวของ edge ตาม congestion ของ edge นั้น กล่าวคือ ในแต่ละรอบที่เราหาเส้นทางที่สั้นที่สุดเราจะให้ $\ell (e)=c(e)$ สำหรับทุก ๆ เส้นเชื่อม