Seminar über Algorithmen

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1 Seminar über Algorithmen
Freie Universität Berlin Seminar über Algorithmen „Potentialfunktion“ 1 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 2006 Ioannis Kyrykos

2 Potentialfunktion in Load Balancing Potentialfunktion in Netzwerken
Freie Universität Berlin Wiederholung Diskretes Load Balancing Nash Equilibria Potentialfunktion in Load Balancing Potentialfunktion in Netzwerken Ein kleines Beispiel aus der Biologie Die „Tit for Tat“ Strategie 2 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

3 Wir betrachten das folgende Problem einer Lastverteilung von:
Freie Universität Berlin Wir betrachten das folgende Problem einer Lastverteilung von: n Jobtypen und auf m maschine pj ist die gesamte Last des Typs j und Sj  {1,...,m} ist die Menge der Maschinen auf denen j verteilt werden darf. 3 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

4 die Jobs sind diskret (atomar).
Freie Universität Berlin die Jobs sind diskret (atomar). xij ist der Job vom Typ ,j der auf der Maschine i verteilt wurde Die mögliche Lösung des Problems wäre die Menge aller xij>=0 für alle i,j Lösung: Eine Lösung des Beispiels ist: x11, x12, x23 4 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

5 ri(L) ist eine monoton wachsende Funktion, die die Antwortzeit
Freie Universität Berlin ri(L) ist eine monoton wachsende Funktion, die die Antwortzeit jeder Maschine unter der Last L gibt. Nash Gleichgewicht beschreibt einen Zustand eines strategischen Gleichgewichts, von dem ausgehend kein einzelner Spieler für sich einen Vorteil erzielen kann, indem er allein seine Strategie verändert Nash Gleichgewicht beim Load Balancing Für alle xij > 0 und k  Sj  ri(Li)  rk(Lk + xij) Beispiel: Für den Job von Typ 2 S2 ={1,2} wobei r2(L2)  r1(L1+x12) für ri(Li) = i*Li und alle User haben Größe 1 Jobs/User Maschinen 5 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

6 Unser Ziel ist es, eine optimale Lösung (Verteilung) zu finden.
Freie Universität Berlin Unser Ziel ist es, eine optimale Lösung (Verteilung) zu finden. Eine Lastverteilung, die dem System eine gesamte minimale Antwortzeit gibt. Wir nehmen an, dass alle Jobs atomar und gleich groß sind. Also ist xij eine Ganzzahl, und die Summe pj von allen xij ist auch eine Ganzzahl. Die Potentialfunktion ist: 6 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

7 Wenn ein Job j von einer Maschine zu einer anderen geht,
Freie Universität Berlin Wenn ein Job j von einer Maschine zu einer anderen geht, dann spiegelt  die Änderung der Verarbeitungszeit des j, wider.  erreicht dann,einen Minimumwert, wenn alle Jobs minimale Verarbeitungszeit brauchen. Also ist die optimale Lösung alle xij , die  minimieren. Die schattierte Fläche ist: 7 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

8 Theorem 1: Wenn eine Jobeinheit xij von einer Maschine i zu einer
Freie Universität Berlin Theorem 1: Wenn eine Jobeinheit xij von einer Maschine i zu einer Maschine k verschoben wird, dann ist die Reduzierung der Antwortzeit für den Job j gleich der Abfall der  Funktion. Beweis: Wenn eine Jobeinheit von der Maschine i auf die Maschine k verschoben wird, ist der Abfall der Antwortzeit des j Jobs : ri(Li) – rk(Lk +1) Die  Funktion wird genau gleich reduziert Beispiel: ri(Li) = Li 2 1 1-2 = = 1 rj1 – rj2 = 3 –2 = 1 8 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

9 Wir nennen Potentialspiel ein Spiel, das eine Potentialfunktion
Freie Universität Berlin Wir nennen Potentialspiel ein Spiel, das eine Potentialfunktion besitzt, die die Änderungen der Spieler trägt. Folgerung: Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert Wenn wir mit einer beliebigen Verteilung der Jobs anfangen, erreichen wir ein Nash Gleichgewicht in endlicher Zeit. Eine Lösung mit Minimum  ist ein Nash Gleichgewicht 9 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

10 pj besteht aus sehr kleinen Jobeinheiten
Freie Universität Berlin Verallgemeinerung: pj besteht aus sehr kleinen Jobeinheiten -> 10 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

11 Jetzt muss bewiesen werden, dass falls die Antwortzeit des Jobs j
Freie Universität Berlin Jetzt muss bewiesen werden, dass falls die Antwortzeit des Jobs j sich ändert, indem ein sehr kleines Teil von dem j auf ein andere Maschine verschoben wird, ändert sich auch der Wert der  Funktion. Theorem 2 Wenn ein Job j ein xij >0 hat und k  Sj und die Nash Kondition ( ri(Li) > rk(Lk)) noch nicht erfüllt ist, dann wird  abfallen, falls eine sehr kleine Einheit von j xij nach xkj geschaltet wird. Beweis Gleich gilt: Also  0,das von xij abgezogen und auf xkj addiert wird und  abfällt Aber es gilt ri(Li) > rk(Lk) => 11 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

12 Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert:
Freie Universität Berlin Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert: Eine Lösung mit Minimum -Wert ist ein Nash Gleichgewicht Beweis: Falls die Lösung mit -Wert kein Nash Gleichgewicht wäre, könnte man (Theorem 2) den -Wert noch mehr reduzieren. Aber -Wert hat schon einen Minimum Wert. 12 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

13 Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert:
Freie Universität Berlin Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert: Es existiert ein Nash Gleichgewicht. Beweis: Die Funktion  ist stetig, und die Menge der möglichen Lösungen ist begrenzt. D.h die Potentialfunktion erreicht einen Minimumwert => existiert ein Nash Gleichgewicht 13 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

14 Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert:
Freie Universität Berlin Die Existenz einer Potentialfunktion  impliziert: Wir können in Polynomialzeit ein Nash Gleichgewicht finden Beweis: Wir können eine konvexe Funktion über eine konvexe Menge in Polynomialzeit minimieren. Für alle i, und ist eine streng monoton wachsende Funktion. Eine differenzierbare Funktion ist auf einem Intervall (streng) konvex dann und nur dann wenn ihre Ableitung auf dem Intervall monoton wachsend ist. Also , als Summe von konvexen Funktionen, ist auch konvex. 14 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

15 Die Menge aller möglichen Lasten L = {L1,...,Lm} ist auch konvex,
Freie Universität Berlin Die Menge aller möglichen Lasten L = {L1,...,Lm} ist auch konvex, weil wenn L1 und L2 mögliche Lasten sind, dann soll *L1 + (1-)*L2 für alle 0    1 auch eine mögliche Last sein. Aber *x1 + (1- )*x2 erfüllt die folgende Gleichung: Also *x1 + (1- )*x2 ist eine gültige Lösung -> *L1 + (1-)*L2 ist auch eine gültige Lösung. Also L ist konvex 15 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

16 Wiederholung: Das Braess Paradox
Freie Universität Berlin Wiederholung: Das Braess Paradox Mit der blauen Verbindung Verzögerung 2. Ohne UV Verbindung Verzögerung 1,5 16 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

17 Ein Netzwerkfluss kann als ein gerichteter Graph dargestellt
Freie Universität Berlin Ein Netzwerkfluss kann als ein gerichteter Graph dargestellt werden, wie im Beispiel des Braess Paradox. Definition eines egoistischen Netzwerkflusses. Gerichteter Graph G = (V,E) k Typen von User User i hat Ausgangspunkt si und Ziel ti in V Jeder User ist sehr klein dem(i) ist das Volumen der User von Typ i Jede Kante hat eine Latenz le(x), die eine Funktion ist des Flusses x (Anzahl der User) auf der Kante e Wir nehmen an, dass le(x) eine stetig monoton wachsende Funktion ist Note: i  j  si  sj oder ti  tj 17 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

18 Für einem gültigen Fluss im Netz muss gelten:
Freie Universität Berlin Für einem gültigen Fluss im Netz muss gelten: Der gesamte Fluss auf einer Kante ist: 18 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

19 Die Verzögerung auf der Kante spiegelt den gesamten Fluss der User
Freie Universität Berlin Die Verzögerung auf der Kante spiegelt den gesamten Fluss der User auf der Kante wieder: Nash Gleichgewicht: Ein Fluss ist Nash Gleichgewicht, wenn die folgende Aussage gilt: Typ i, alle Wege P vom si -> ti mit fp  0 erfüllt ( Wege Q vom si -> ti, lP(f)  lQ(f)) 19 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

20 Eine Lösung ist ein Nash Gleichgewicht dann und nur dann wenn
Freie Universität Berlin Theorem 3. Eine Lösung ist ein Nash Gleichgewicht dann und nur dann wenn der Fluss die Potentialfunktion minimiert: Beispiel für le(x) = x  = = 10 SV Sti Vti titj 20 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

21 21 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06
Freie Universität Berlin 21 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

22 Das Gefangenendilemma...
Freie Universität Berlin Das Gefangenendilemma... ...und die Strategie der Fische 22 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

23 Wie du mir so ich dir (Tit for Tat)
Freie Universität Berlin Strategien: Kooperieren Verrat Wie du mir so ich dir (Tit for Tat) Erster Zug selbständig, und bei allen folgenden Zügen macht man das, was der Mitspieler beim letzen Zug gemacht hat. Wo finden wir diese Strategie wieder?? 23 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

24 Tit for Tat bei Stichlingen
Freie Universität Berlin Tit for Tat bei Stichlingen Verhalten von Stichlingen in Anwesenheit anderer größerer Fische, die entweder Räuber oder Friedfische sind. Gewinn eine Annäherung: Informationsgewinn; je näher desto mehr Informationen Verlust einer Annäherung: Wenn Räuber dann je näher, desto größer die Gefahr, gefressen zu werden Annäherung erfolgt schrittweise und abwechselnd. Das erinnert an Tit for Tat . Prinzipiell kooperativ, aber es gilt ilt auch das „Wie du mir, so ich dir“ Verhalten. 24 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

25 Experimentelle Prüfung
Freie Universität Berlin Experimentelle Prüfung Ergebnis: Stärkere Annäherung bei Vorspiegelung von Kooperation 25 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos

26 Quellen: http://www1.uni-hamburg.de/IWI/FolienThema10.doc
Freie Universität Berlin Quellen: 26 „Seminar über Algorithmen“, Institut für Informatik SS 06 Ioannis Kyrykos