Online Competitive Algorithms

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1 Online Competitive Algorithms
Computational Geometry, WS 2006/07 Lecture 17 Prof. Dr. Thomas Ottmann Algorithmen & Datenstrukturen, Institut für Informatik Fakultät für Angewandte Wissenschaften Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

2 Bewegungsplanung bei unvollständiger Information
Ausweg aus einem Labyrinth Finden eines Punktes in unbekannter Umgebung Kompetitive Strategien Beispiel: Online-Bin-Packing Beispiel: Suche nach einer Tür in einer Wand Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

3 Ausweg aus einem Labyrinth
Gegeben sei ein punktförmiger Roboter, der nur über einen Tastsensor und einen Winkelzähler verfügt. Gesucht ist eine Strategie, mit der der Roboter aus jedem unbekannten Labyrinth herausfindet, wenn es überhaupt einen Ausweg gibt. Herausfinden = den Rand der konvexen Hülle des Labyrinths erreichen = (Entkommen = true) Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

4 1. Versuch: An der Wand entlang
Wähle Richtung beliebig; repeat folge Richtung until Wandkontakt; folge der Wand until Entkommen Willkürliche Festlegung: Sobald der Roboter auf ein Hindernis trifft, dreht er sich rechts herum und läuft so an der Wand entlang, dass sich die Wand stets links von ihm befindet. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

5 Beispiellabyrinth 1 Computational Geometry, WS 2006/07
Prof. Dr. Thomas Ottmann

6 Beispiellabyrinth 2 Computational Geometry, WS 2006/07
Prof. Dr. Thomas Ottmann

7 2. Versuch: Möglichst in Anfangsrichtung
Wähle Richtung beliebig; Winkelzähler = 0; repeat folge Richtung until Wandkontakt; folge der Wand until Winkelzähler mod 2π = 0 until Entkommen Roboter läuft in Anfangsrichtung, wann immer seine Nase in diese Richtung zeigt! Winkelwerte: Linksdrehung: positiv Rechtsdrehung: negativ Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

8 Verhalten für Labyrinth 1
Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

9 Verhalten für Labyrinth 2
Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

10 3. Versuch: Pledge Algorithmus
Wähle Richtung beliebig; Winkelzähler = 0; repeat folge Richtung until Wandkontakt; folge der Wand until Winkelzähler = 0 until Entkommen Vermeidet Endlosschleifen! Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

11 Korrektheit des Pledge Algorithmus
Satz: Der Pledge Algorithmus findet in jedem Labyrinth von jeder Startposition aus einen Weg ins Freie, von der überhaupt ein Ausweg existiert. Lemma 1: Der Winkelzähler W nimmt niemals einen positiven Wert an. Bew. 1: Anfangs ist W = 0, sobald ein Hindernis angetroffen wird, wird W negativ, sobald W = 0 wird, löst sich der Roboter vom Hindernis und wandert in Ausgangsrichtung bis zum nächsten Hindernis! Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

12 Korrektheit des Pledge Algorithmus
Zu zeigen: Falls der Roboter nach dem Pledge Algorithmus keinen Weg ins Freie findet, gibt es keinen solchen Weg. Lemma 2: Angenommen, der Roboter findet nicht aus dem Labyrinth heraus. Dann besteht sein Weg bis auf ein endliches Anfangsstück aus einem geschlossenen Weg, der immer wieder durchlaufen wird. Sei P der geschlossene Weg, den der Roboter bei seinem vergeblichen Versuch, aus dem Labyrinth zu entkommen, immer wieder durchläuft. Lemma 3: Der Weg P kann sich nicht selbst kreuzen. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

13 Unmöglichkeit von Kreuzungen
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14 Korrektheit des Pledge Algorithmus
Bew. des Satzes: Fall 1: Roboter durchläuft P gegen Uhrzeigersinn. Fall 2: Roboter durchläuft P im Uhrzeigersinn. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

15 Finden eines Punktes in unbekannter Umgebung
Aufgabe: Roboter soll Zielpunkt in einer unbekannten Umgebung finden Erweiterung der Fähigkeiten des Roboters: Er kennt zu jedem Zeitpunkt seine eigenen (globalen) Koordinaten Er kennt die (globalen Koordinaten des Zielpunktes. Strategie Bug: Roboter läuft solange auf Zielpunkt zu, bis er auf ein Hindernis trifft. Dies wird einmal umrundet. Dabei merkt sich der Roboter denjenigen Punkt auf dem Rand des Hindernisses, der dem Zielpunkt am nächsten ist, und kehrt nach der vollständigen Umrundung dorthin zurück. Von diesem Punkt aus wird der Weg in gleicher Weise fortgesetzt. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

16 Strategie Bug repeat laufe auf Zielpunkt zu until Wandkontakt;
A = AktuellePosition; (*auf Hinderniswand*) D = AktuellePosition; (*zum Zielpunkt nächster bisher besuchter Punkt auf Hinderniswand*) rücke AktuellePosition entlang der Wand vor; if AktuellePosition näher an Zielpunkt als D then D = AktuellePosition until AktuellePosition = A; gehe auf kürzestem Weg längs Hinderniswand zu D until ZielpunktErreicht Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

17 Beispiel für Zielfindung
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18 Eigenschaften der Strategie Bug
Die Strategie Bug findet stets einen Weg vom Startpunkt s zum Zielpunkt t, wenn ein solcher Weg überhaupt existiert. (Beweis: vgl. R. Klein) Der von der Strategie Bug zurückgelegte Weg kann beliebig viel länger sein als der kürzeste Weg von s nach t. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

19 Kompetitive Strategien: Beispiel Bin-Packing
Aufgabe: Gegeben eine Folge o1, o2, … von Objekten mit Größe ≤ 1. Verpacke die Objekte so in Kisten mit Größe 1, dass möglichst wenige Kisten gebraucht werden. Next-fit-Strategie: Packe das jeweils nächste Objekt in dieselbe Kiste wie das vorangehende, wenn es da noch hineinpasst, sonst mache eine neue Kiste auf. Die Next-fit-Strategie verbraucht höchstens doppelt so viele Kisten, wie bei optimaler Packung erforderlich wären. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

20 Kompetitivität einer Strategie
Sei P ein Problem und S eine Strategie, die jedes Problem P aus P korrekt löst und dabei Kosten KS(P) verursacht. Strategie S heißt kompetitiv mit Faktor C, wenn es eine Konstante A gibt, sodass für jedes Beispiel P P gilt: KS(P) ≤ C Kopt(P) + A, mit Kopt(P) = Kosten einer optimalen Lösung Next-fit ist kompetitiv mit Faktor 2. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

21 Suche nach einer Tür in einer Wand
Roboter mit Tastsensor soll eine Tür in einer (beliebig langen) Wand finden, die sich in unbekanntem Abstand d und unbekannter Richtung vom Startpunkt befindet. 1. Versuch: Wechsele Suchrichtung und erhöhe Suchtiefe inkrementell um je 1. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

22 Verdopplungsstrategie
2. Versuch: Verdopple die Suchtiefe nach jedem Richtungswechsel. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

23 Eigenschaften der Verdopplungsstrategie
Satz 1: Die Strategie der abwechselnden Verdopplung der Suchtiefe ist kompetitiv mit dem Faktor 9. Satz 2: Jede kompetitive Strategie zum Auffinden eines Punkts auf einer Geraden hat einen Faktor ≥ 9. Das Prinzip der exponentiellen Vergrößerung der Suchtiefe ist erweiterbar auf andere und mehr als zwei Suchräume. Satz 3: Diese Suchstrategie für m Halbgeraden ist kompetitiv mit dem Faktor (2mm / (m -1)m-1) + 1 ≤ 2em +1 Dabei ist e = 2.718… die Eulersche Zahl. Computational Geometry, WS 2006/07 Prof. Dr. Thomas Ottmann

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