Кіріспе
(Толық емес) бүтін сандық сызықтық бағдарламаларды шешуге арналған оңтайландыру техникасы. Математикалық оңтайландыруда, кесу жазықтығы әдісі – сызықтық теңсіздіктер, яғни «кесулер» арқылы мүмкін болатын жиынтықты немесе мақсаттық функцияны итеративті түрде жақсартатын оңтайландыру әдістерінің бірі. Мұндай процедуралар, әдетте, аралас бүтін сандық сызықтық бағдарламалау (MILP) мәселелеріне бүтін сандық шешімдерді табу үшін, сондай-ақ жалпы, міндетті түрде туындысы бар емес, дөңес оңтайландыру мәселелерін шешу үшін қолданылады. Ральф Э. Гомори MILP-ді шешу үшін кесу жазықтықтарын пайдалануды енгізді. MILP үшін кесу жазықтығы әдістері берілген бүтін сандық бағдарламаның сызықтық релаксациясын, яғни бүтін емес сызықтық бағдарламаны шешу арқылы жұмыс істейді. Сызықтық бағдарламалау теориясы бойынша, шартты болжамдар орындалғанда (егер сызықтық бағдарламада оңтайлы шешім болса және мүмкін болатын аймақта түзу сызық болмаса), әрқашан оңтайлы болатын шеткі немесе бұрыштық нүктені табуға болады. Алынған оңтайлы шешім бүтін сандық шешім болып табылатыны тексеріледі. Егер олай болмаса, оңтайлы шешімді нақты мүмкін болатын жиынның дөңес қабығынан бөлетін сызықтық теңсіздік бар екені кепілдігі беріледі. Мұндай теңсіздікті табу – бұл ажырату мәселесі, ал мұндай теңсіздік – кесу болып табылады. Кесуді релаксацияланған сызықтық бағдарламаға қосуға болады. Одан кейін ағымдағы бүтін емес шешім релаксацияға қатысты мүмкін болмайды. Бұл процесс оңтайлы бүтін сандық шешім табылғанша қайталанады. Жалпы дөңес үздіксіз оңтайландыру және оның нұсқалары үшін кесу жазықтығы әдістері әртүрлі атаулармен белгілі: Келли әдісі, Келли–Чейни–Голдштейн әдісі және топтама әдістері. Олар дифференциалданбайтын дөңес минимизация үшін кеңінен қолданылады, онда дөңес мақсаттық функция мен оның субградиентін тиімді бағалауға болады, бірақ туындысы бар оңтайландыру үшін әдеттегі градиенттік әдістерді қолдануға болмайды. Бұл жағдай Лагранж дуалдық функцияларының қуыс максимизациясы үшін ең типикалық. Тағы бір кең таралған жағдай – Данциг–Вольф декомпозициясын құрылымдық оңтайландыру мәселесіне қолдану, онда өзгермелілердің экспоненциалды саны бар формулалар алынады. Бұл айнымалыларды сұраныс бойынша кешіктірілген бағандарды жасау арқылы өндіру тиісті дуалдық мәселе бойынша кесу жазықтығын орындаумен бірдей.
In mathematical optimization, the cutting plane method is any of a variety of optimization methods that iteratively refine a feasible set or objective function by means of linear inequalities, termed cuts. Such procedures are commonly used to find integer solutions to mixed integer linear programming (MILP) problems, as well as to solve general, not necessarily differentiable convex optimization problems. The use of cutting planes to solve MILP was introduced by Ralph E. Gomory. Cutting plane methods for MILP work by solving a non integer linear program, the linear relaxation of the given integer program. The theory of Linear Programming dictates that under mild assumptions (if the linear program has an optimal solution, and if the feasible region does not contain a line), one can always find an extreme point or a corner point that is optimal. The obtained optimum is tested for being an integer solution. If it is not, there is guaranteed to exist a linear inequality that separates the optimum from the convex hull of the true feasible set. Finding such an inequality is the separation problem, and such an inequality is a cut. A cut can be added to the relaxed linear program. Then, the current non integer solution is no longer feasible to the relaxation. This process is repeated until an optimal integer solution is found. Cutting plane methods for general convex continuous optimization and variants are known under various names: Kelley's method, Kelley–Cheney–Goldstein method, and bundle methods. They are popularly used for non differentiable convex minimization, where a convex objective function and its subgradient can be evaluated efficiently but usual gradient methods for differentiable optimization can not be used. This situation is most typical for the concave maximization of Lagrangian dual functions. Another common situation is the application of the Dantzig–Wolfe decomposition to a structured optimization problem in which formulations with an exponential number of variables are obtained. Generating these variables on demand by means of delayed column generation is identical to performing a cutting plane on the respective dual problem.
Тарих
Кесу тетіктерін 1950 жылдары Ральф Гомори бүтін сандық бағдарламалау және аралас бүтін сандық бағдарламалау мәселелерін шешу әдісі ретінде ұсынды. Дегенмен, көптеген сарапшылар, Гоморидің өзі де, оларды сандық тұрақсыздық және тиімсіздік себепті қолдануға лайықсыз деп есептеді, өйткені шешімге қадам жасау үшін көптеген кесулер қажет болды. 1990 жылдардың ортасында Жерар Корнуехольс және оның әріптестері олардың тармақталу және кесу (branch and cut) әдісімен және сандық тұрақсыздықтарды еңсеру жолдарымен үйлескенде өте тиімді екенін көрсетті. Бүгінде барлық коммерциялық MILP шешімдері Гомори кесулерін әлдебір жолмен қолданады. Гомори кесулері симплекс кестесінен өте тиімді жасалады, ал көптеген басқа кесу түрлерін бөліп шығару қымбатқа түседі немесе тіпті NP-қиын болып табылады. MILP үшін қолданылатын басқа да жалпы кесулердің ішінде, көтеру және проекция әдісі Гомори кесулерінен жоғары тұрады.
Жалпы түсінік
Әдіс алдымен xi-дың бүтін сан болуын талап етуден бас тартып, байланысты жеңілдетілген сызықтық бағдарламалау мәселесін шешіп, бастапқы мүмкін шешімді алады. Геометриялық тұрғыдан алғанда, бұл шешім барлық мүмкін нүктелерден тұратын дөңгелек политоптың төбесі болады. Егер бұл төбе бүтін сан нүктесі болмаса, әдіс төбесі бір жағында, ал барлық мүмкін бүтін сан нүктелері екінші жағында болатын гипержазықтықты табады. Содан кейін табылған төбені жою үшін бұл гипержазықтық қосымша сызықтық шектеу ретінде қосылады, нәтижесінде өзгертілген сызықтық бағдарлама құрылады. Жаңа бағдарлама шешіледі және бүтін сан шешімі табылғанша процесс қайталанады.