Изменения

Также как и алгоритм EppsteinЭппштейна, K* выполняет поиск пути на графе <tex>G</tex> и использует граф путей <tex>P(G)</tex>. Граф путей ищется с помощью алгоритма Дейкстры для того, чтобы вычислить пути <tex>s-t</tex> в виде последовательности запасных путей. Общий принцип работы алгоритма K* следующий:1) K* применяет A* на графе <tex>G</tex> вместо обратного алгоритма Дейкстры, который использует алгоритм Eppstein.2) Мы запускаем A* на <tex>G</tex> и Дейкстру на <tex>P(G)</tex> поочередно порядке, который позволяет Дейкстре доставить пути решение до заверешения поиска на <tex>G</tex> алгоритма A*.

== Поиск A* на G. == 1) K* применяет A* к входному графу на графе <tex>G</tex> для тоговместо обратного алгоритма Дейкстры, чтобы определить дерево поиска <tex>T</tex>который используется алгоритмом Эппштейна. В отличие от алгоритма Eppstein в K* 2) Мы запускаем A* применяется к графу на <tex>G</tex> в прямом порядке из-за чего коренем дерева и Дейкстру на <tex>T P(G)</tex> является вершина <tex>s</tex>. Это необходимо для тогов поочередном порядке, чтобы была возможность работать c неявным описанием графа который позволяет Дейкстре вычислить требуемые пути до заверешения полного поиска алгоритма A* на графе <tex>G</tex> через функцию successor. На протяжении статьи будем считать граф <tex>G</tex> конечным, если не будет сказано иначе. Заметим, что А* корректен на конечных графах. Будем следовать литературному соглашению, предполагая, что стоимость бесконечного пути неограниченна.

== 4.1 Поиск A* на G == K* применяет A* к входному графу <tex>G</tex> для того, чтобы построить дерево поиска <tex>T</tex>. Заметим, что A*, также как и алгоритм Дейкстры, строит дерево поиска в процессе нахождения кратчайшего пути <tex>s-t</tex> . Эти деревья формируются с помощью ссылок на родительские узлы, которые хранятся в том время, как A* производит итерации для того, чтобы восстановить путь <tex>s-t</tex>, когда вершина <tex>t</tex> ещё не найдена. Запасные ребра, открытые в процессе поиска A* на графе G, немедленно добавляются в граф P(G), структура которого будет объясняться в разделе 4.3.  В K* A* применяется к графу <tex>G</tex> в прямом направлении в отличие от алгоритма Эппштейна, из-за чего корнем дерева <tex>T</tex> является вершина начальная <tex>s</tex>. Это необходимо для того, чтобы была возможность работать c неявным описанием графа <tex>G</tex> через функцию successor (функция, возвращающая список исходящих ребер из данной вершины). На протяжение статьи будем считать граф <tex>G</tex> конечным, если не будет сказано иное. Заметим, что А* корректен на конечных графах. Будем следовать литературному соглашению, предполагая, что стоимость бесконечного пути неограниченна. == 4.2 Стоимость объезда ==[[Файл:kstar-figure-3.png|600px|thumb|center|'''Рисунок 3.''' Исходный граф, в котором сплошные линии представляют построенное A* дерево поиска <tex>T</tex>. Пунктирные линии являются запасными ребрами.]]Для ребра <tex>(u, v)</tex> стоимость '''объезда ''' (англ. ''detour'') <tex>\delta(u, v)</tex> является стоимостью представляет стоимость '''ущерба ''' (англ. ''disadvantage'') из-за взятия ребра объезда <tex>(u,v)</tex> в сравнении с кратчайшим путем <tex>s-t</tex> через <tex>v</tex>. Ни длина кратчайшего пути <tex>s-t</tex> через <tex>v</tex>, ни длина пути <tex>s-t</tex>, включающего запапасные запасные ребра <tex>(u, v)</tex> не известны, когда A* обнаруживает <tex>(u, v)</tex>. Обе длины могут быть оценены с помощью функции оценки <tex>f</tex>, которая использует эвристическую функцию <tex>h</tex>. Путь Пусть <tex>f(v)</tex> будет <tex>f</tex>-значением с соответствии с деревом поиска <tex>T</tex> и <tex>f_u(v)</tex> будет <tex>f</tex>-значанием значением в соответствии с родителем u, т.е. <tex>f_u(v) = g(u) + c(u, v) + h(v)</tex>. Тогда <tex>\delta(u, v)</tex> может быть определена так:

<tex>\delta(u, v) = f_u(v) - f(v) = g(u) + c(u, v) + h(v) - g(v) - h(v) = g(u) + c(u, v) - g(v)</tex>

Заметим, что <tex>\delta(u, v)</tex> дает точную объездную метрику, поскольку функция оценки оценочное <tex>h</tex>-значения значение не появляется в определении функции <tex>\delta(u, v)</tex>.

== 4.3 Структура графе графа путей ==Структура графа путей <tex>P(G)</tex> довольно сложная. В принципе, <tex>P(G)</tex> будет ориентированным графом, вершины которого соответствуют ребрам в исходном графе <tex>G</tex>. Он будет организован как коллекция взаимосвязанных '''куч ''' (англ. ''heap''). 2 бинарные минимальные кучи минимума присвоены к каждой вершине <tex>v</tex> в графе <tex>G</tex>, которые называются '''входящей кучей ''' (англ. ''incoming heap'')<tex>H_{in}(v)</tex> и '''деревянной кучей ''' (англ. ''tree heap'') <tex>H_{T}(v)</tex>. Эти кучи являются базисом <tex>P(G)</tex>. Как мы покажем далее, испльзование использование этих куч также играет главную роль в поддержании асимптотической сложности K*, также как в EA и LVEA.

Входящая куча <tex>H_{in}(v)</tex> содержит узлы для каждого запасного ребра к вершине <tex>v</tex>, которые до сих пор были обнаружены A*. Узлы <tex>H_{in}(v)</tex> будут упорядочены в соответствии с <tex>\delta</tex>-значением соответствующих переходов. Узел владеющий ребром с минимальной стоимостью ущерба будет расположен на вершине кучи. Мы ограничим структуру кучи <tex>H_{in}(v)</tex> таким образом, что её корень в отличие от остальных узлов, имеет будет иметь не более 1 ребенка. Мы обозначим Обозначим его <tex>root_{in}(v)</tex>.

Деревянная куча <tex>H_{T}(v)</tex> для произвольной вершины <tex>v</tex> строится следующим образом. Если <tex>v</tex> - стартовая вершина, т.е. <tex>v = s</tex>, то <tex>H_{T}(v)</tex> будет изначально пустой кучей. Затем узел в неё будет добавлен <tex>root_{in}(s)</tex>, если <tex>H_{in}(s)</tex> не пустая'''Пример 4. Если <tex>v</tex> не стартовая вершина, то пусть вершина <tex>u</tex> будет родителем вершины <tex>v</tex> в дереве поиска <tex>T</tex>. Мы можем представить, что <tex>H_{T}(v)</tex> конструируется как копия <tex>H_{T}(u)</tex>, в которую добавлен <tex>root_{in}(v)</tex>. Если <tex>H_{in}(v)</tex> пустая, то <tex>H_{T}(v)</tex> идентична <tex>H_{T}(u)</tex>. Однако, для экономии памяти мы создаем только дешевую копию <tex>H_{T}(u)</tex>. Это осуществляется через создание копий только узлов ''' Рисунок 4 иллюстрирует входящие кучи, которые лежат на обновленном пути <tex>H_{T}(u)</tex>. Оставшаяся часть <tex>H_{T}(u)</tex> не копируется. Другими словами, <tex>root_{in}(v)</tex> вставляется в <tex>H_{T}(u)</tex> неразрушающим путем так, что структура <tex>H_{T}(u)</tex> сохраняется. В куче <tex>H_{T}(v)</tex> 1 или 2 ребенка могут быть присоединены к <tex>root_{in}(v)</tex>. К тому же, <tex>root_{in}(v)</tex> хранит только 1 собственного ребенка графа из <tex>H_{in}(v)</tex>рисунка 3. Мы обозначим корень Цифры рядом с узлами кучи соответствуют <tex>H_{T}(v)</tex> как <tex>R(v)\delta</tex>-значениям.

Обратимся [[Файл:kstar-figure-4.png|600px|thumb|center|'''Рисунок 4.''' Входящие кучи <tex>H_{in}(s_i)</tex>, полученные из графа, показанного на рисунке 3.]] Деревянная куча <tex>H_{T}(v)</tex> для произвольной вершины <tex>v</tex> строится следующим образом. Если <tex>v</tex> - стартовая вершина, т.е. <tex>v = s</tex>, то <tex>H_{T}(v)</tex> будет изначально пустой кучей. Затем в неё будет добавлен <tex>root_{in}(s)</tex>, если <tex>H_{in}(s)</tex> не пустая. Если <tex>v</tex> не стартовая вершина, то пусть вершина <tex>u</tex> будет родителем вершины <tex>v</tex> в дереве поиска <tex>T</tex>. Мы можем представить, что <tex>H_{T}(v)</tex> конструируется как копия <tex>H_{T}(u)</tex>, в которую добавлен <tex>root_{in}(v)</tex>. Если <tex>H_{in}(v)</tex> пустая, то <tex>H_{T}(v)</tex> идентична <tex>H_{T}(u)</tex>. Однако, для экономии памяти мы создаем только дешевую копию <tex>H_{T}(u)</tex>. Это осуществляется через создание копий только тех узлов кучи, которые лежат на обновленном пути в <tex>H_{T}(u)</tex>. Оставшаяся часть <tex>H_{T}(u)</tex> не копируется. Другими словами, <tex>root_{in}(v)</tex> вставляется в <tex>H_{T}(u)</tex> неразрушающим путем так, что структура <tex>H_{T}(u)</tex> сохраняется. В куче <tex>H_{T}(v)</tex> к ребрам<tex>root_{in}(v)</tex> могут быть присоединены 1 или 2 ребенка. К тому же, <tex>root_{in}(v)</tex> хранит только 1 собственного ребенка из <tex>H_{in}(v)</tex>. Мы обозначим корень <tex>H_{T}(v)</tex> как <tex>R(v)</tex>. [[Файл:kstar-figure-5.png|600px|thumb|center|'''Рисунок 5.''' Деревянные кучи <tex>H_{T}(s_i)</tex>, полученные из графа, показанного на рисунке 3.]] Назовем ребра, которые берут начало из входящих или деревянных куч, как к кучным ребрам'''кучными ребрами''' (англ. ''heap edges''). Сформулируем следующую лемму.

|statement=Все узлы, которые достижимы достижимые из <tex>R(v)</tex> через кучные ребра по кучным ребрам, для каждой вершины <tex>v</tex>, формируют тернарную кучу, упорядоченную в соответствии с <tex>\delta</tex>-значением. Мы назовем такую кучу '''графовой кучей ''' (англ. ''graph heap'') вершины <tex>v</tex> и обозначим его её как <tex>H_{G}(v)</tex>.|proof=Те узлы, которые находятся в <tex>H_{T}(v)</tex> или во входящей куче, на которую ссылается узел из <tex>H_{T}(v)</tex>, достижимы по кучным ребрам из <tex>R(v)</tex>. Деревянная куча <tex>H_{T}(v)</tex> формируется через добавление корней входящих куч всех вершин, лежащих на пути из стартовой вершины <tex>s</tex> до <tex>v</tex> в бинарной куче. Каждый из этих корней имеет максимум 3 детей: до 2 в <tex>H_{T}(v)</tex> и дополнительно единственного из входящей кучи. Любой другой узел, живущий во входящей куче имеет не больше 2 детей.Напомним, что каждая входящая куча - это бинарная куча с ограничением, что корень имеет единственного ребенка. Древовидная структура <tex>H_{G}(v)</tex> непосредственный результат древовидных структур <tex>H_{T}(v)</tex> и входящих куч.Более того, кучная характеристика деревянной кучи обеспечивает упорядочивание в соответствии с <tex>\delta</tex>-значением по ребрам из <tex>H_{T}(v)</tex>, а кучная характеристика входящих куч - по всем ребрам из <tex>H_{in}</tex>. Все это приводит к тому, что <tex>H_{G}(v)</tex> - тернарная куча, упорядоченная в соответствии с <tex>\delta</tex>-значением.

Финальная структура <tex>P(G)</tex> получется из входящих и деревянных куч следующим образом. К каждому узлу <tex>n</tex> из <tex>P(G)</tex>, несущему ребро <tex>(u,v)</tex>, мы присоединим указатель, ссылающийся на <tex>R(u)</tex>, который является корневым узлом <tex>H_{T}(u)</tex>. Мы назовем такие указатели '''кросс-ребрами''' (англ. ''cross edges''), в то время как указатели, возникающие из куч названы кучными ребрами, как упоминалось раньше. Более того, мы добавим специальный узел <tex>\mathrm{R}</tex> в <tex>P(G)</tex> с одним выходящим кросс-ребром к <tex>R(t)</tex>. Более того, мы определим весовую функцию <tex>\Delta</tex> на ребрах из <tex>P(G)</tex>. Пусть <tex>(n,n')</tex> обозначает ребро в <tex>P(G)</tex>, и пусть <tex>e</tex> и <tex>e'</tex> обозначают ребра из <tex>G</tex>, соответствующие узлам <tex>n</tex> и <tex>n'</tex>. Тогда определим <tex>\Delta(n,n')</tex> следующим образом:  <tex> \Delta(n,n')=\begin{cases} \delta(e') - \delta(e),& \text{if}\ (n,n')\ \text{heap edge} \\ \delta(e'),& \text{if}\ (n,n')\ \text{cross edge}. \end{cases} </tex> Лемма 1 подразумевает, что куча упорядоченная в соответствии с <tex>\delta</tex>-значанием поддерживается для любого кучного ребра из <tex>P(G)</tex>. Эта упорядочивание кучи подразумевает, что <tex>\Delta(n,n')</tex> неотрицательна для любого кучного ребра <tex>(n,n')</tex>. Следовательно, <tex>\Delta</tex> также неотрицательна, т.е. <tex>\Delta(n,n') >= 0</tex> для любого ребра <tex>(n,n')</tex> в <tex>P(G)</tex>. Стоимость пути <tex>\sigma</tex>, т.е. <tex>C_{P(G)}(\sigma)</tex> равна <tex>\sum_{e \in \sigma}\Delta(e)</tex>.  '''Пример 6.'''

Более того, В оставшейся части этого раздела мы определим весовую функцию <tex>\Delta</tex> на ребрах из <tex>P(G)</tex>. Пусть <tex>(nпроиллюстрируем особенности структуры графа путей,n')которые актуальны для нахождения кратчайших путей </tex> обозначает ребро в <tex>P(G)</tex>, и пусть <tex>e</tex> и <tex>e'</tex> обозначают ребра из <tex>G</tex> соответствующие узлам <tex>n</tex> и <tex>n's-t</tex>. Тогда определим <tex>\Delta(n,n')</tex> следующим образом:

Первое наблюдение в том, что <tex>\DeltaP(n,n'G)=\begin{cases}\delta</tex> ориентированный взвешенный граф. Каждый узел в <tex>P(e'G) - \delta</tex> несет запасное ребро из G. Использование бинарных куч в конструкции <tex>P(eG)</tex> извлекает выгоду из следующих 2 свойств. Во-первых,& \text{if}\ произвольный узел в <tex>P(n,n')\ \text{heap edge} \\\delta(e'G)</tex> имеет не более 4 выходящих ребер. Одним из ребер будет точно кросс-ребро в то время,& \text{if}\ (nкак оставшимися будут кучные ребра. Во-вторых,n')функция веса <tex>\ \text{cross edge}.\end{cases}Delta</tex>неотрицательна. Как станет ясно в разделе 5, эти свойства необходимы для доказательства правильности и определения сложности K*.

Лемма 1 подразумевает, что куча упорядоченная Второе наблюдение заключается в соответствии с существовании соответствия один-к-одному между путей <tex>\deltas-t</tex>-значанием поддерживается по любому кучному ребру из в <tex>P(G)</tex>. Эта упорядочивание кучи подразумевает, что <tex>\Delta(n,n')</tex> неотрицательна для любого кучного ребра <tex>(n,n')</tex>. Следовательно, <tex>\Delta</tex> также неотрицательна, т.е. <tex>\Delta(n,n') >= 0</tex> для любого ребра <tex>(n,n')</tex> и путей в <tex>PР(G)</tex>. Стоимость пути <tex>\sigma</tex>, т.е. <tex>C_{P(G)}(\sigma)</tex> равна которые начинаются в <tex>\sum_mathrm{e \in \sigmaR}\Delta(e)</tex>.

|statement=Пусть <tex>n</tex> будет узлов узлом графовой кучи <tex>H_{G}(w)</tex> для какой-нибудь вершины <tex>w</tex>. Пусть <tex>(u,v)</tex> будет ребром связанным с <tex>n</tex>. Тогда существует путь в дереве поиска <tex>T</tex> из <tex>v</tex> в <tex>w</tex>.

== 4.4 Алгоритмическая структура K* ==Алгоритмический принцип K* следующий. Будем запускать алгоритмы Дейкстры и A* на <tex>G</tex> с чередованием. Сначала, мы запустим выполним A* на <tex>G</tex> , который будет работать до тех, пока вершина <tex>t</tex> не будет выбрана из очереди для рассмотренияраскрытия. Затем, вы запустим алгоритмы алгоритм Дейкстры на доступной части <tex>P(G)</tex>. Каждый узел рассмотрел раскрытый Дейкстрой представляет путь решения. Если точнее, то путь <tex>\sigma</tex> в <tex>P(G)</tex>, по которому Дейкстра достигла этого узла является решением. Путь <tex>s-t</tex> может быть построен из <tex>\sigma</tex> за линейное время путем вычисления последовательности запасных ребер <tex>seq(\sigma)</tex> и затем <tex>s-t</tex> пути из неё. Если Дейкстра находит <tex>k</tex> кратчайших путей, то K* завершается успешно. Иначе, A* возобновляется для исследования большей части <tex>G</tex>. Это приводит к росту <tex>P(G)</tex>, на котором алгоритм Дейкстры затем будет возобновлен. Мы будем повторять этот процесс до тех пор, пока алгоритм Дейкстры не найдет <tex>k</tex> кратчайших путей.

 K* поддерживает механизм планирования для контролирования, когда A* или Дейкстра будет возобновлены. Если очередь из A* не пуста, что означает, что А* ещё не завершил исследования всего графа G, то Дейкстра возобновляется тогда и только тогда, когда <tex>g(t) + d <= f(u)</tex>. Значение <tex>d </tex> является максимальным <tex>d</tex>-значением среди всех successor-ов головы поисковой очереди <tex>n</tex> алгоритма Дейкстры. Вершина <tex>u</tex> является головой поисковой очереди A*. Напомним, что <tex>d</tex> - функция расстояния, используемая в алгоритме Дейкстры. Если очередь поиска Дейкстры пуста или <tex>g(t) + d > f(u)</tex>, то А* возобновляется для того, чтобы исследовать более большую часть графа <tex>G</tex> (строка 14). То, как долго мы ему позволим работать, является компромиссом. Если мы запустим его только на маленьком количестве шагов, то мы дадим Дейкстре шанс найти необходимое количество путей скорее, чем они будут доступны в <tex>P(G)</tex>. С другой стороны, мы вызываем накладные расходы путем переключения A* и Дейкстры и поэтому должны ограничить количество переключений. Эти накладные расходы вызваны тем фактом, что после возобновления A* (строка 14), структура графа <tex>P(G)</tex> может измениться. Следовательно нам необходимо обновить <tex>P(G)</tex> (строка 15), как мы будет широко обсуждать в разделе 4.5. Это требует последующую проверку статуса Дейкстры. Мы должны быть уверены, что Дейкстра поддерживает согласованное состояние после изменений в <tex>P(G)</tex>. K* предусматривает условие, которые управляет решением, когда остановить A*, которое мы назовем ''условие расширения''. Для того, чтобы поддерживать аналогичную асимптотическую сложность как у EA и LVEA, мы должны определить условие расширения так, чтобы A* выполнялся пока количество рассмотренных вершин и количество внутренних ребер удваивается или <tex>G </tex> полностью исследован. Мы обсудим эту проблему несколько подробнее позже. В качестве полезного свойства, K* позволяет другое определения этого условия, которое может быть более эффективным на практике. В наших экспериментах в разделе 6, мы определили условие расширения так, что количество рассмотренных вершин или количество рассмотренных ребер ребер возрастает на 20% при каждом запуске A*. Этот механизм планирования включен до тех пор, пока A* не закончит исследовать весь граф <tex>G</tex>. Как только A* исследует весь граф <tex>G </tex> (строка 9), механизм планирования отключается и в дальнейшем работает только алгоритм Дейкстры.

== 4.5 Взаимосвязь алгоритмов Дейкстры и A* ==

Если использованная эвристическая оценка допустимая, то наше положение лучше. Нам по-прежнему может понадобится перестроение <tex>P(G)</tex>, но мы покажем, что это перестроение не мешает корректности поиска Дейкстры на <tex>P(G)</tex>. Другими словами, мы не теряем результаты, до сих пор полученные поиском Дейкстры.  В случае монотонной эвристической оценки мы даже не нуждаемся в восстановлении или перестроении <tex>P(G)</tex>. Если <tex>h</tex> монотонная, то дерево поиска A* является деревом кратчайшего пути для всех раскрытых вершин. Следовательно, g-значения раскрытых вершин не изменитсяменяются. Это означает, что <tex>\delta</tex>-значения для внутренних ребер никогда не изменятся. Ребра дерева раскрытых вершин не изменятся также. Следовательно, обновление <tex>\delta</tex>-значений, heaping-up, heaping-down (операции в кучах) или удаление узлов не влекут за собой каких-либо изменений в <tex>P(G)</tex>. Только добавление новых узлов приводит к изменениям в <tex>P(G)</tex>. Следовательно, восстановление или глобальное перестроение или глобальная реструктуризация не требуется в данном случае.

Следствие 2. {{Лемма|about=следствие 3|statement=Пусть <tex>n</tex> будет произвольным узлов узлом в <tex>P(G)</tex>. Если <tex>h</tex> допустимая функция, то <tex>n</tex> никогда не будет удален из <tex>P(G)</tex> после того, как <tex>n</tex> был рассмотрен алгоритмом Дейкстры. |proof=...}}

== 4.6 Пример ==