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随机舍入

randomized rounding

把分数解解释为选择概率,以期望、浓缩和修补把凸松弛转成离散近似解。

条目类型
原则

形式陈述

基本舍入

线性规划松弛给出 xi[0,1]。最简单独立舍入令 XiBernoulli(xi),输出选择集 {i:Xi=1}。线性目标保持期望:

EiciXi=icixi.

这只控制平均目标,不保证每条约束同时满足。

约束与概率

对负载 iajiXi,若项独立且有界,可用Chernoff 方法控制超过容量的概率;再用并集界覆盖所有约束。若总失败概率小于 1,概率方法证明存在好舍入;可按条件期望逐个固定随机位,保持坏事件势函数不增,实现去随机化。另一策略 alteration 先独立舍入,再删除造成冲突的对象并计损失。

直觉

分数坐标天然给出离散选择的边缘概率,因此线性目标的期望会原样保留;困难在于许多约束必须在同一次抽样中共同成立。浓缩控制单条负载,并集界、依赖舍入或 alteration 再把局部概率保证转成可行整数解。

例子与边界

路由拥塞例子

多商品流 LP 把一条请求分数地分散到多条路径。按路径流量占比为每个请求随机选一条路径,期望边负载等于 LP;当单请求贡献受限时,Chernoff 给边拥塞尾界。所有边都安全需要共同概率,而不是对每条边单独说“高概率”。

失败边界

E[cost]αOPT 不能推出高概率近似;Markov 只能给粗常数概率。共享资源造成强相关时独立舍入方差可能过大,需要 dependent rounding 保持边缘概率与负相关。舍入尺度、重试/修补导致的目标损失和 LP 数值误差都应计入保证。

推论与应用

缩放与 alteration

Set cover 舍入常先把概率放大到 pi=min{1,cxi},使每个元素未覆盖概率指数下降,再对仍未覆盖元素补选一个集合。放大增加期望成本,补选再增加 alteration 成本;近似比来自两项的共同上界,不是原 LP 目标自动保持。

条件期望去随机化要选择一个可有效计算的 pessimistic estimator;真实失败概率若本身难算,逐位比较条件概率并非多项式算法。存在性证明与可实现去随机化需分开。

从分数解走到离散近似解要同时跨过两道门:目标值落在允许范围内,全部约束也在同一次抽样中成立;重试、去随机化或 alteration 解决的是第二道门失败后的处置,而不是重新证明第一道门。

边际概率相同不等于联合分布相同。独立舍入方便用 Chernoff,却可能破坏“恰选 k 个”或 matroid 约束;dependent rounding 通过负相关和总量保持换取可行结构,证明不能继续假设变量独立。

参考资料
  • Prabhakar Raghavan, Clark Thompson, Randomized Rounding: A Technique for Provably Good Algorithms and Algorithmic Proofs, Combinatorica, 1987.
  • Prabhakar Raghavan, Probabilistic Construction of Deterministic Algorithms, JCSS, 1988.
关系图谱4 个相邻概念 · 2 类关系

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