We propose a new methodology to develop heuristic algorithms using tree decompositions. Traditionally, such algorithms construct an optimal solution of the given problem instance through a dynamic programming approach. We modify this procedure by introducing a parameter $W$ that dictates the number of dynamic programming states to consider. We drop the exactness guarantee in favour of a shorter running time. However, if $W$ is large enough such that all valid states are considered, our heuristic algorithm proves optimality of the constructed solution. In particular, we implement a heuristic algorithm for the Maximum Happy Vertices problem using this approach. Our algorithm more efficiently constructs optimal solutions compared to the exact algorithm for graphs of bounded treewidth. Furthermore, our algorithm constructs higher quality solutions than state-of-the-art heuristic algorithms Greedy-MHV and Growth-MHV for instances of which at least 40\% of the vertices are initially coloured, at the cost of a larger running time.


翻译:摘要:本文提出了一种利用树分解开发启发式算法的新方法论。传统上,此类算法通过动态规划方法构造给定问题实例的最优解。我们通过引入参数$W$(决定待考虑动态规划状态的数量)来改进这一过程。我们舍弃精确性保证以换取更短的运行时间。然而,若$W$足够大以涵盖所有有效状态,则我们的启发式算法可证明构造解的最优性。具体而言,我们采用此方法实现了一个针对最大幸福顶点问题的启发式算法。与针对有界树宽图的精确算法相比,我们的算法能更高效地构造最优解。此外,对于初始着色顶点占比至少为40%的实例,尽管运行时间更长,但我们的算法比当前最先进的启发式算法Greedy-MHV和Growth-MHV能构造出更高质量的解决方案。

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启发式算法(heuristic algorithm)是相对于最优化算法提出的。一个问题的最优算法求得该问题每个实例的最优解。启发式算法可以这样定义:一个基于直观或经验构造的算法,在可接受的花费(指计算时间和空间)下给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解,该可行解与最优解的偏离程度一般不能被预计。现阶段,启发式算法以仿自然体算法为主,主要有蚁群算法、模拟退火法、神经网络等。
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