Кіріспе
Контейнерлерге заттарды салудың ең тиімді жолын табуға бағытталған мәселелер геометриялық орау мәселелері деп аталады. Орау мәселелері – математикадағы оптимизациялау мәселелерінің бір классы болып табылады, олар заттарды контейнерлерге орналастыруға тырысуды қамтиды. Мақсат – бір контейнерді мүмкіндігінше тығыз толтыру немесе барлық заттарды мүмкіндігінше аз контейнерлерді пайдаланып орналастыру. Осы мәселелердің көптеген түрлері нақты өмірдегі қаптамалау, сақтау және тасымалдау мәселелерімен байланысты болуы мүмкін. Әрбір орау мәселесіне сәйкес келетін жабу мәселесі бар, ол контейнердің барлық аймағын толық жабу үшін қанша бірдей заттар қажет екенін сұрайды, мұнда заттардың бір-бірімен жабысуына рұқсат етіледі. Қоқыс жәшігін толтыру мәселесінде мыналар беріледі: Әдетте екі немесе үш өлшемді, мүмкін шексіз өлшемді дөңгелек аймақ. Мәселеге қарай бірнеше контейнер берілуі мүмкін. Бір немесе бірнеше контейнерге орналастырылуы тиіс заттар жиынтығы. Жиынтықта әртүрлі өлшемдегі заттар немесе бірнеше рет пайдалануға болатын, өлшемдері белгіленген бір зат болуы мүмкін. Әдетте, заттардың бір-бірімен немесе контейнер қабырғаларымен қабысуына жол берілмейді. Кейбір нұсқаларында мақсат – максималды тығыздықпен бір контейнерді толтыратын конфигурацияны табу. Көбінесе мақсат – барлық заттарды мүмкіндігінше аз контейнерге орналастыру. Кейбір нұсқаларында (заттардың бір-бірімен және/немесе контейнер шекарасымен) қабысуға рұқсат етіледі, бірақ оны барынша азайту керек.
geometric packing problems
Packing problems are a class of optimization problems in mathematics that involve attempting to pack objects together into containers. The goal is to either pack a single container as densely as possible or pack all objects using as few containers as possible. Many of these problems can be related to real life packaging, storage and transportation issues. Each packing problem has a dual covering problem, which asks how many of the same objects are required to completely cover every region of the container, where objects are allowed to overlap. In a bin packing problem, people are given:
A container, usually a two or three dimensional convex region, possibly of infinite size. Multiple containers may be given depending on the problem. A set of objects, some or all of which must be packed into one or more containers. The set may contain different objects with their sizes specified, or a single object of a fixed dimension that can be used repeatedly. Usually the packing must be without overlaps between goods and other goods or the container walls. In some variants, the aim is to find the configuration that packs a single container with the maximal packing density. More commonly, the aim is to pack all the objects into as few containers as possible. In some variants the overlapping (of objects with each other and/or with the boundary of the container) is allowed but should be minimized.
Шексіз кеңістіктегі жинақтау
Бұл проблемалардың көптегені, контейнердің мөлшері барлық жақтан ұлғайтылғанда, шексіз Евклид кеңістігінде нысандарды мүмкіндігінше тығыз орналастыру мәселесіне эквивалент болады. Бұл мәселе көптеген ғылыми салалар үшін маңызды және оған көп көңіл бөлінді. Кеплер болжамы Томас Каллистер Хейлс оны дәлелдемес бұрын жүздеген жылдар бойы шарларды орналастырудың ең тиімді жолын болжаған. Эллипсоидтар, Платон және Архимед денелері, үш оське параллель сәулелер бойымен кубтардың біріктірілуінен құралған триподтар, сондай-ақ әртүрлі өлшемдегі шарлар жұптары да зерттелді.
Дөңгелектердің алты бұрышты жинағы
Бұл мәселелер шеңберді қаптау теоремасындағы идеялардан математикалық тұрғыдан ерекшеленеді. Бұған қатысты шеңберді жинақтау мәселесі, жазықтық немесе шар сияқты бетке, мүмкін, әртүрлі өлшемдегі шеңберлерді орналастырумен айналысады. Басқа өлшемдердегі шеңбердің аналогтарын бірден үлкен өлшемдерде толық тиімділікпен жинастыру мүмкін емес (бірөлшемді әлемде шеңбердің аналогы екі нүкте ғана). Яғни, егер тек шеңберлерді жинақтаса, әрқашан бос орын қалады. Шеңберлерді жинақтаудың ең тиімді тәсілі – алтыбұрышты жинақтау, ол шамамен 91% тиімділік береді.
Үлкен өлшемді шарлы орамалар
Үш өлшемде тығыз жиналған құрылымдар шарлардың ең жақсы торлық жиналуын қамтамасыз етеді және барлық жиналымдардың ең оңтайлысы деп есептеледі. Үш өлшемдегі "қарапайым" шарлы жиналымдар ("қарапайым" анықтамасы нақты берілген) үшін тоғыз анықталатын мүмкін жиналым бар. 8 өлшемді E8 торсы және 24 өлшемді Лич торсы да сәйкес нақты өлшемді кеңістіктерінде оңтайлы екені дәлелденді.
Платондық қатты заттардың үш өлшемді қаптамалары
Кюбтер үш өлшемді кеңістікті толығымен толтыру үшін оңай орналастырылуы мүмкін, ең табиғи жинақталуы – кубтық бал ұясы. Платон денелерінің ешқайсысы өздігінен кеңістікті мозаикалай алмайды, бірақ кейбір алдын ала нәтижелер белгілі. Тетраэдрлер кем дегенде 85% жинақталуға жетеді. Тұрақты додекаэдрлердің ең жақсы жинақталуларының бірі жоғарыда аталған бетке орталастырылған кубтық (FCC) торға негізделген. Тетраэдрлер мен октаэдрлер бірге кеңістіктің барлығын тетраэдрлік-октаэдрлік бал ұясы деп аталатын құрылыммен толтырады. Қатты денелердің торлық жинақталуының оптималдық тығыздығы: икосаэдр – 0,836357, додекаэдр – (5 + ) / 8 = 0,904508. Жергілікті жақсарту әдістерін және кездейсоқ жинақталуларды біріктіретін модельдеулер икосаэдр, додекаэдр және октаэдр үшін торлық жинақталулардың барлық жинақталулар класында оптималды екенін көрсетеді.
Simulations combining local improvement methods with random packings suggest that the lattice packings for icosahedra, dodecahedra, and octahedra are optimal in the broader class of all packings.
Әр түрлі кубоидтар бір кубоидқа айналдырылады
Берілген жиынтықтағы таңбалардың барлығын қаптау үшін қажетті ең аз сандағы тікбұрышты контейнерлерді (қораптарды) анықтаңыз. Қапталатын тікбұрышты таңбаларды әр ось бойынша 90 градусқа бұруға болады.
Евклид шарсына айналған сфералар
Ең кішкентай шарды табу мәселесі, ішіне k жиектері қиылыспайтын ашық бірлік шарларды орналастыруға болатындай, n өлшемді Евклид кеңістігінде қарапайым және толық жауапқа ие, ал шексіз өлшемді Хилберт кеңістігінде – ешқандай шектеусіз. Бұл мәселенің жалпы сипатын түсіндіру үшін оны егжей-тегжейлі қарастыру қажет. Бұл жағдайда k жұп түйіскен бірлік шарлардың конфигурациясы қолжетімді. Орталықтарды 2 қабырғалы тұрақты өлшемді симплекстің төбелеріне орналастырады; бұл ортонормал базадан бастап оңай жүзеге асырылады. Шағын есептеу көрсеткендей, әр төбе барицентрден қашықтықта жатыр. Сонымен қатар, кеңістіктің кез келген басқа нүктесінің кем дегенде k төбеден қашықтығы үлкенірек болады. Шарларды қамту тұрғысынан алғанда, орталықтарында орналасқан k ашық бірлік шарлары радиусы бар шарға кіреді, бұл аталған конфигурация үшін ең төменгі мән. Бұл конфигурацияның оңтайлы екенін көрсету үшін, радиусы r шардың ішінде орналасқан k жиектері қиылыспайтын ашық бірлік шарлардың орталықтарын қарастырайық. Шекті жиынтықтан әрқайсысы үшін сәйкес келетін бейнелеуді қарастырайық. Барлық үшін бұл бейнелеу 1-Липшиц шартты қанағаттандырады, ал Киршбраун теоремасы бойынша ол 1-Липшиц бейнелеуіне дейін кеңейтіледі; атап айтқанда, мұндай нүкте бар, оның үшін барлық үшін орындалады, демек, бұл да орындалады. Бұл радиусы r шардың ішінде k жиектері қиылыспайтын бірлік ашық шарлардың болуын радиусы r шардың ішінде k жиектері қиылыспайтын бірлік ашық шарлардың болуымен байланыстырады. Айта кетейік, шексіз өлшемді Хилберт кеңістігінде бұл радиусы r шардың ішінде шексіз көптеген жиектері қиылыспайтын ашық бірлік шарлардың болуын радиусы r шардың ішінде шексіз көптеген жиектері қиылыспайтын ашық бірлік шарлардың болуымен байланыстырады. Мысалы, орталықтары ортонормал база болатын бірлік шарлар жиектері қиылыспайды және нөл нүктесінде орналасқан радиусы бар шарға кіреді. Сонымен қатар, үшін радиусы r шардың ішіндегі жиектері қиылыспайтын ашық бірлік шарлардың максималды саны болып табылады.
Күштік пішінді сфералар
Адамдар белгілі бір диаметрі d болатын шарлардың қаншасының өлшемдері берілген тіктөртбұрыштың ішіне сыйып қоятынын анықтайды.
Цилиндрдегі бірдей сфералар
Адамдар радиусы R белгілі бір цилиндрдің ең аз биіктігін h анықтайды, оған радиусы r (< R) болатын n бірдей шар сыяды. R радиусы кішкентай болған жағдайда, шарлар баған тәрізді құрылымдар деп аталатын реттелген құрылымдарға жиналады.
Көпбұрыштар сфераларда
Адамдар белгілі бір пішіндегі, бірлік көлемді n бірдей полиэдрді сыйыстыру үшін қажетті ең кішкентай радиусты R анықтайды.
Екі өлшемді контейнерлерге салу
Екі өлшемді қаптау мәселелерінің көптеген түрлері зерттелді.
Тік төртбұрыштардың орамы
Бірдей тік төртбұрыштарды тік төртбұрышқа қаптау: (L,W) өлшемді үлкен тік төртбұрышқа 90° бұруға рұқсат етілген (l,w) өлшемді бір тік төртбұрыштың бірнеше данасын қаптау мәселесі паллеттерге қораптарды тиеу және, әсіресе, ағаш өнімін жинау сияқты қолданыстарға ие. Мысалы, (137,95) өлшемді 147 тік төртбұрышты (1600,1230) өлшемді тік төртбұрышқа қаптауға болады. Әртүрлі тік төртбұрыштарды тік төртбұрышқа қаптау: әр түрлі ені мен биіктігі бар бірнеше тік төртбұрышты ең аз ауданы бар қоршау тік төртбұрышқа (бірақ қоршау тік төртбұрышының ені мен биіктігіне шектеулер жоқ) қаптау мәселесі суреттерді бір үлкен суретке біріктіруде маңызды рөл атқарады. Веб-серверден әр суретті сұрауға байланысты қосқанда, бір үлкен суретті жүктеуге арналған веб-бет, бірнеше кіші суреттерді жүктеуге арналған веб-беттен браузерде көбінесе жылдамдатылады. Мәселе жалпы жағдайда NP-толық, бірақ кішігірім жағдайларды шешуге арналған жылдам алгоритмдер бар.