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竞争分析

Competitive analysis

在同一请求序列上比较在线算法总成本与预知未来的离线最优。

条目类型
定义

形式陈述

定义

在线算法模型的最小化问题中,若对所有序列

ALG(σ)cOPT(σ)+β,

则算法 c-competitive;β 与序列长度无关,用于初态和短序列。Strict competitive 要求 β=0。随机算法常比较期望成本,并必须指定对手。

Ski rental 阈值算法给近 2 的竞争比:短季节只租,长季节多付不到一次购买价。长期平均表现好并不推出逐序列不等式。

β 不能随序列长度增长,否则任何线性差都能被藏进加性项。渐近竞争比允许固定初态差,关注 OPT(σ) 时的比值上极限。

直觉

在线算法付出的额外成本来自信息延迟,而不是计算不够充分。竞争分析让 ALG 与预知整个请求序列的 OPT 在同一序列上结算,由乘法常数刻画“看不见未来”的最坏代价;固定加性项只吸收初始状态等一次性差异,不能随序列变长。

ALG、OPT 与竞争上界

消歧

近似比比较同一完整输入上的可计算解与 NP 优化最优;竞争比还受未来不可见限制。Regret 是加性差且常与固定动作比较。最大化问题比率方向需改写,OPT 为零也要处理。

资源增广比较不同资源下的 ALG 与 OPT,例如在线分页给更大缓存;这不是原竞争比的直接改进,必须把两侧资源写进符号。经验 workload 上的平均比率也不是对所有序列的竞争保证。

例子与边界

量词与随机对手

确定性定义先固定算法,再要求对每个序列不等式成立。随机算法面对 oblivious 对手时,先固定序列 σ,再取 ErALGr(σ);adaptive 对手可按历史动作选请求,序列本身依 r,不能使用同一交换顺序。

Yao 原理为随机下界选择一个输入分布,证明每个确定算法在该分布下期望比率大;它不给随机算法上界,也不能把单个最坏序列分布化后直接使用。

势函数逐轮证明

Paging/LRU 一类证明可设势衡量 ALG 与 OPT 缓存差异,逐请求验证

costA+ΔΦccostOPT.

求和后中间势消去,若 0ΦT 且初势有界,得到加性常数。势函数依两个算法状态,这与只分析一个结构操作序列的摊还势不同。

短序列和加性常数

若初始装载需固定成本,严格比率在 OPT=0 的短序列上无定义;β 吸收该差,但必须与序列长度无关。写成 ALG(c+o(1))OPT 的 asymptotic 版本也要说明极限按 OPT

推论与应用

三类比较基准

Approximation ratio 给算法完整实例仍受计算限制;competitive ratio 与知道未来的离线 OPT 比;regret 通常与最好固定动作做加性比较。Ski rental 的 OPT 每序列可选租或买,不是一个固定动作跨全部序列,因此也不是普通 experts regret。

参考资料
  • Sleator, Tarjan, “Amortized Efficiency of List Update and Paging Rules,” 1985.
  • Borodin, El-Yaniv, 1998.
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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