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Graph-Related Optimization and Decision Support Systems
发布日期:2015-12-17  浏览

Graph-Related Optimization and Decision Support Systems

[Book Description]

Constrained optimization is a challenging branch of operations research that aims to create a model which has a wide range of applications in the supply chain, telecommunications and medical fields. As the problem structure is split into two main components, the objective is to accomplish the feasible set framed by the system constraints. The aim of this book is expose optimization problems that can be expressed as graphs, by detailing, for each studied problem, the set of nodes and the set of edges. This graph modeling is an incentive for designing a platform that integrates all optimization components in order to output the best solution regarding the parameters' tuning. The authors propose in their analysis, for optimization problems, to provide their graphical modeling and mathematical formulation and expose some of their variants. As a solution approaches, an optimizer can be the most promising direction for limited-size instances. For large problem instances, approximate algorithms are the most appropriate way for generating high quality solutions. The authors thus propose, for each studied problem, a greedy algorithm as a problem-specific heuristic and a genetic algorithm as a metaheuristic.

[Table of Contents]
List of Tables                             xi
        List of Figures                            xiii
        List of Algorithms                         xvii
Introduction                                       xix
    Chapter 1 Basic Concepts in Optimization       1   (12)
    and Graph Theory
      1.1 Introduction                             1   (1)
      1.2 Notation                                 2   (1)
      1.3 Problem structure and variants           2   (2)
      1.4 Features of an optimization problem      4   (1)
      1.5 A didactic example                       5   (1)
      1.6 Basic concepts in graph theory           6   (6)
        1.6.1 Degree of a graph                    7   (1)
        1.6.2 Matrix representation of a graph     7   (1)
        1.6.3 Connected graphs                     8   (1)
        1.6.4 Itineraries in a graph               8   (1)
        1.6.5 Tree graphs                          9   (2)
        1.6.6 The bipartite graphs                 11  (1)
      1.7 Conclusion                               12  (1)
    Chapter 2 Knapsack Problems                    13  (18)
      2.1 Introduction                             13  (1)
      2.2 Graph modeling of the knapsack problem   14  (1)
      2.3 Notation                                 14  (1)
      2.4 0-1 knapsack problem                     15  (1)
      2.5 An example                               16  (1)
      2.6 Multiple knapsack problem                17  (2)
        2.6.1 Mathematical model                   17  (1)
        2.6.2 An example                           18  (1)
      2.7 Multidimensional knapsack problem        19  (2)
        2.7.1 Mathematical model                   19  (1)
        2.7.2 An example                           20  (1)
      2.8 Quadratic knapsack problem               21  (2)
        2.8.1 Mathematical model                   22  (1)
        2.8.2 An example                           22  (1)
      2.9 Quadratic multidimensional knapsack      23  (2)
      problem
        2.9.1 Mathematical model                   24  (1)
        2.9.2 An example                           24  (1)
      2.10 Solution approaches for knapsack        25  (3)
      problems
        2.10.1 The greedy algorithm                25  (1)
        2.10.2 A genetic algorithm for the KP      26  (2)
      2.11 Conclusion                              28  (3)
    Chapter 3 Packing Problems                     31  (20)
      3.1 Introduction                             31  (1)
      3.2 Graph modeling of the bin packing        32  (1)
      problem
      3.3 Notation                                 33  (1)
      3.4 Basic bin packing problem                33  (3)
        3.4.1 Mathematical modeling of the BPP     34  (1)
        3.4.2 An example                           35  (1)
      3.5 Variable cost and size BPP               36  (1)
        3.5.1 Mathematical model                   36  (1)
        3.5.2 An example                           37  (1)
      3.6 Vector BPP                               37  (3)
        3.6.1 Mathematical model                   38  (1)
        3.6.2 An example                           39  (1)
      3.7 BPP with conflicts                       40  (2)
        3.7.1 Mathematical model                   40  (1)
        3.7.2 An example                           41  (1)
      3.8 Solution approaches for the BPP          42  (6)
        3.8.1 The next-fit strategy                42  (1)
        3.8.2 The first-fit strategy               43  (1)
        3.8.3 The best-fit strategy                44  (1)
        3.8.4 The minimum bin slack                44  (2)
        3.8.5 The minimum bin slack'               46  (1)
        3.8.6 The least loaded heuristic           46  (1)
        3.8.7 A genetic algorithm for the bin      47  (1)
        packing problem
      3.9 Conclusion                               48  (3)
    Chapter 4 Assignment Problem                   51  (18)
      4.1 Introduction                             51  (1)
      4.2 Graph modeling of the assignment         52  (1)
      problem
      4.3 Notation                                 52  (1)
      4.4 Mathematical formulation of the basic    53  (2)
      AP
        4.4.1 An example                           54  (1)
      4.5 Generalized assignment problem           55  (2)
        4.5.1 An example                           56  (1)
      4.6 The generalized multiassignment          57  (2)
      problem
        4.6.1 An example                           58  (1)
      4.7 Weighted assignment problem              59  (1)
      4.8 Generalized quadratic assignment         60  (1)
      problem
      4.9 The bottleneck GAP                       61  (1)
      4.10 The multilevel GAP                      61  (1)
      4.11 The elastic GAP                         62  (1)
      4.12 The multiresource GAP                   63  (1)
      4.13 Solution approaches for solving the     64  (3)
      AP
        4.13.1 A greedy algorithm for the AP       64  (1)
        4.13.2 A genetic algorithm for the AP      65  (2)
      4.14 Conclusion                              67  (2)
    Chapter 5 The Resource Constrained Project     69  (14)
    Scheduling Problem
      5.1 Introduction                             69  (1)
      5.2 Graph modeling of the RCPSP              70  (1)
      5.3 Notation                                 71  (1)
      5.4 Single-mode RCPSP                        72  (3)
        5.4.1 Mathematical modeling of the         73  (1)
        SM-RCPSP
        5.4.2 An example of an SM-RCPSP            74  (1)
      5.5 Multimode RCPSP                          75  (1)
      5.6 RCPSP with time windows                  75  (1)
      5.7 Solution approaches for solving the      76  (6)
      RCPSP
        5.7.1 A greedy algorithm for the RCPSP     76  (1)
        5.7.2 A genetic algorithm for the RCPSP    77  (5)
      5.8 Conclusion                               82  (1)
    Chapter 6 Spanning Tree Problems               83  (30)
      6.1 Introduction                             83  (1)
      6.2 Minimum spanning tree problem            84  (4)
        6.2.1 Notation                             84  (1)
        6.2.2 Mathematical formulation             84  (1)
        6.2.3 Algorithms for the MST problem       85  (3)
      6.3 Generalized minimum spanning tree        88  (12)
      problem
        6.3.1 Notation                             90  (1)
        6.3.2 Mathematical formulation             90  (3)
        6.3.3 Greedy approaches for the GMST       93  (3)
        problem
        6.3.4 Genetic algorithm for the GMST       96  (4)
        problem
      6.4 k-cardinality tree problem KCT           100 (6)
        6.4.1 Problem definition                   100 (1)
        6.4.2 An example                           100 (2)
        6.4.3 Notation                             102 (1)
        6.4.4 Mathematical formulation             103 (1)
        6.4.5 Greedy approaches for the            103 (1)
        k-cardinality tree problem
        6.4.6 Minimum path approach                104 (1)
        6.4.7 A genetic approach for the           105 (1)
        k-cardinality problem
      6.5 The capacitated minimum spanning tree    106 (6)
      problem
        6.5.1 Problem definition                   106 (1)
        6.5.2 Notation                             107 (1)
        6.5.3 An example                           107 (1)
        6.5.4 Solution approaches for the CMST     108 (4)
        problem
      6.6 Conclusion                               112 (1)
    Chapter 7 Steiner Problems                     113 (12)
      7.1 Introduction                             113 (1)
      7.2 The Steiner tree problem                 114 (4)
        7.2.1 Problem definition                   114 (1)
        7.2.2 Problem formulation                  115 (1)
        7.2.3 Constructive heuristics for the      115 (3)
        Steiner tree problem
      7.3 The price collecting Steiner tree        118 (5)
      problem
        7.3.1 Problem definition                   118 (1)
        7.3.2 Example                              118 (1)
        7.3.3 Mathematical formulation             118 (2)
        7.3.4 A greedy approach to solve the       120 (1)
        PCSTP
        7.3.5 A genetic algorithm for the PCSTP    121 (2)
      7.4 Conclusion                               123 (2)
    Chapter 8 A DSS Design for Optimization        125 (20)
    Problems
      8.1 Introduction                             125 (1)
      8.2 Definition of a DSS                      126 (1)
      8.3 Taxonomy of a DSS                        127 (1)
      8.4 Architecture and design of a DSS         128 (3)
        8.4.1 Architecture of a DSS                129 (1)
        8.4.2 DSS design                           130 (1)
      8.5 A DSS for the knapsack problem           131 (2)
      8.6 A DSS for the DCVRP                      133 (10)
        8.6.1 Statement and modeling of the CVRP   136 (1)
        8.6.2 Notation                             137 (1)
        8.6.3 Mathematical formulation of the      138 (1)
        DCVRP
        8.6.4 DCVRP-DSS interfaces                 139 (2)
        8.6.5 A real application: the case of      141 (2)
        Tunisia
      8.7 Conclusion                               143 (2)
Conclusion                                         145 (2)
Glossary                                           147 (2)
Bibliography                                       149 (6)
Index                                              155
 

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