O problema da k-Floresta Geradora Balanceada em Arestas
| Ano de defesa: | 2024 |
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Resumo: | The Edge Balanced Spanning k-Forest (k-EBSF) problem consists in, given an undirected edge-weighted graph G and an integer k, finding a spanning forest of G with k trees, in order to minimize the weight of the heaviest tree. In the particular case k = 1, the problem comes down to determining a Minimum Spanning Tree. The problem was introduced in 2017 motivated by applications in computational topology. The k-EBSF has already been shown to be NP-Hard even for k = 2 or for the unit weight case. In this work, we present and prove bounds for the problem and a Dynamic Programming algorithm for the case where the input graph is a path. We introduce two new heuristics for the problem. Furthermore, we propose three Mixed Integer Linear Programming (MILP) formulations for the k-EBSF together with valid inequalities and a variable fixing procedure that aim to strengthen the models. We generated a set of instances to evaluate the quality of the proposed procedures and formulations. Computational tests suggest that the proposed heuristics can be adopted as good upper bounds for the problem. In addition, the formulations F_REP+ and F_ROT+ stood out, managing to find an optimal solution within the time limit in 69.05% and 73.87%, respectively, of the evaluated instances. |
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Costa, José Robertty de FreitasCampêlo Neto, Manoel Bezerra2024-06-28T14:06:26Z2024-06-28T14:06:26Z2024COSTA, José Robertty de Freitas. O problema da k-Floresta Geradora Balanceada em Arestas. 2024. 57 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/77092The Edge Balanced Spanning k-Forest (k-EBSF) problem consists in, given an undirected edge-weighted graph G and an integer k, finding a spanning forest of G with k trees, in order to minimize the weight of the heaviest tree. In the particular case k = 1, the problem comes down to determining a Minimum Spanning Tree. The problem was introduced in 2017 motivated by applications in computational topology. The k-EBSF has already been shown to be NP-Hard even for k = 2 or for the unit weight case. In this work, we present and prove bounds for the problem and a Dynamic Programming algorithm for the case where the input graph is a path. We introduce two new heuristics for the problem. Furthermore, we propose three Mixed Integer Linear Programming (MILP) formulations for the k-EBSF together with valid inequalities and a variable fixing procedure that aim to strengthen the models. We generated a set of instances to evaluate the quality of the proposed procedures and formulations. Computational tests suggest that the proposed heuristics can be adopted as good upper bounds for the problem. In addition, the formulations F_REP+ and F_ROT+ stood out, managing to find an optimal solution within the time limit in 69.05% and 73.87%, respectively, of the evaluated instances.O problema da k-Floresta Geradora Balanceada em Arestas (k-FGBA) consiste em, dados um grafo G não direcionado com pesos nas arestas e um inteiro k, encontrar uma floresta geradora de G com k árvores, de forma a minimizar o peso da árvore mais pesada. No caso particular k = 1, o problema se resume a determinar uma Árvore Geradora Mínima. O problema foi introduzido em 2017, motivado por aplicação em topologia computacional. O k-FGBA já foi demonstrado ser NP-Difícil mesmo para k = 2 ou para o caso de pesos unitários. Neste trabalho apresentamos e provamos limitantes para o problema e um algoritmo de Programação Dinâmica para o caso onde o grafo de entrada é um caminho. Desenvolvemos duas novas heurísticas para o problema. Além disso, propomos três formulações de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) para o k-FGBA, junto com desigualdades válidas e um procedimento de fixação de variáveis que objetivam fortalecer os modelos. Geramos um conjunto de instâncias de forma aleatória com as quais avaliamos a qualidade dos procedimentos e formulações propostas. Os testes computacionais sugerem que as heurísticas propostas podem ser adotadas como bons limitantes superiores para o problema. Ademais, as formulações F_REP+ e F_ROT+ se destacaram, conseguindo encontrar uma solução ótima dentro do limite de tempo estabelecido em 69,05% e 73,87%, respectivamente, das instâncias avaliadas.O problema da k-Floresta Geradora Balanceada em ArestasThe Edge Balanced Spanning k-Forest probleminfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisk-Floresta Geradora Balanceada em ArestasProgramação MatemáticaAlgoritmos HeurísticosEdge-balanced Spanning k-ForestMathematical programmingHeuristic algorithmsCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttp://lattes.cnpq.br/5890616780717375http://lattes.cnpq.br/72076262667702132024-06-28ORIGINAL2024_dis_jrfcosta.pdf2024_dis_jrfcosta.pdfapplication/pdf474907http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/77092/3/2024_dis_jrfcosta.pdfb54bafc62000141ecfdd3fb7450d7251MD53LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/77092/4/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD54riufc/770922024-06-28 11:06:27.877oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2024-06-28T14:06:27Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
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