We study the use of machine learning techniques to solve a fundamental shortest path problem, known as the single-source many-targets shortest path problem (SSMTSP). Given a directed graph with non-negative edge weights, our goal is to compute a shortest path from a given source node to any of several target nodes. Basically, our idea is to equip an adapted version of Dijkstras algorithm with machine learning predictions to solve this problem: Based on the trace of the algorithm, we design a neural network that predicts the shortest path distance after a few iterations. The prediction is then used to prune the search space explored by Dijkstras algorithm, which may significantly reduce the number of operations on the underlying priority queue. We note that our algorithm works independently of the specific method that is used to arrive at such predictions. Crucially, we require that our algorithm always computes an optimal solution (independently of the accuracy of the prediction) and provides a certificate of optimality. As we show, in the worst-case this might force our algorithm to use the same number of queue operations as Dijkstras algorithm, even if the prediction is correct. In general, however, our algorithm may save a significant fraction of the priority queue operations. We derive structural insights that allow us to lower bound these savings on partial random instances. In these instances, an adversary can fix the instance arbitrarily except for the weights of a subset of relevant edges, which are chosen randomly. Our bound shows that the number of relevant edges which are pruned increases as the prediction error decreases. We then use these insights to derive closed-form expressions of the expected number of saved queue operations on random instances.


翻译:我们研究了利用机器学习技术解决一个基础的最短路径问题——单源多目标最短路径问题(SSMTSP)。给定一个具有非负边权重的有向图,我们的目标是计算从给定源节点到任意多个目标节点的最短路径。基本思路是:为适配版本的Dijkstra算法配备机器学习预测功能来解决该问题。基于算法运行轨迹,我们设计了一种神经网络,该网络能在少量迭代后预测最短路径距离。随后利用该预测剪枝Dijkstra算法所探索的搜索空间,从而显著减少底层优先队列的操作次数。需要指出的是,我们的算法独立于生成此类预测的具体方法。关键要求是:无论预测精度如何,算法始终能计算出最优解并提供最优性证明。研究表明,在最坏情况下,即使预测完全正确,我们的算法仍可能执行与标准Dijkstra算法相同数量的队列操作。但在一般情况下,算法可节省相当比例的优先队列操作。我们通过结构分析推导出部分随机场景下节省操作的下界。在这些场景中,对抗方可以任意设定实例参数,但仅对相关边子集的权重进行随机赋值。理论界表明,被剪枝的相关边数量随预测误差减小而增加。最后,我们利用这些洞察推导出随机实例上预期节省队列操作数的闭式表达式。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
128+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
10+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
128+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员