„Warehouseman's Problem“ ist PSPACE schwer Beitrag zum Seminar über Algorithmen von: Oliver Jelinski
Jan 03, 2016
„Warehouseman's Problem“ ist PSPACE schwer
Beitrag zum Seminar über Algorithmenvon:
Oliver Jelinski
Gliederung
(1) Einführung: Was ist „Warehouseman's Problem“?
(2) Vorschau: Weg des Beweises über drei Reduktionen
(3) Grundlage: PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
(4) 3 Reduktionen, aus denen folgt: „Möbelrücken“ ist PSPACE-schwer
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“
übersetzt: „Problem des Lagerarbeiters“
oder „Problem des Lagerverwalters“
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Definition (1):
Es seien beliebige rechteckige Objekte in einem 2-dimensionalen rechteckigen Bereich.
Rechtecke dürften sich frei bewegen aber sich oder den Rand des Bereichs nicht
schneiden
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Definition (2):
Problem: Ist eine Konfiguration unter diesen Voraussetzungen in eine andere überführbar?
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Beispiel 1:
Kommt man von hier ...
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Beispiel 1:
nach hier? Ja. (Einfach)
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Beispiel 2:
Kommt man von hier ...
(1) Was ist „Warehouseman's Problem“?
Beispiel 2:
... nach hier? Ja, wie wir sehen werden.
(2) Weg des Beweises
(2) Weg des Beweises
Grundlage
RWP:
PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
(2) Weg des Beweises
1. Reduktion
RWP: PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
auf:
TPP: Transpositions- (bzw. Verschiebe-)-Problem für Zeichenketten
(2) Weg des Beweises
2. Reduktion
TPP: Verschiebe-Problem für Zeichenketten
auf:
2DO: Verschiebe-Problem für 2D-Objekte
(2) Weg des Beweises
3. Reduktion
2DO: Verschiebe-Problem für 2D-Objekte
auf:
WMP: Problem des Lagerarbeiters (Warehouseman's Problem)
(2) Weg des Beweises
also:
daraus folgt:
Problem des Lagerarbeiters ist PSPACE-schwer
RWP≤PTPP≤P2DO≤PWMP
(3) PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
(3) PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
1. Zeichenkette: {S=S1S2S3...Sn} mit allen Sm aus einem Alphabet Σ.
2. Produktionen Pj; jeweils eine der folgenden Formen: AB -> AC oder AB -> CB mit A, B, C ∑.
(3) PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
1. auf jede Zeichenkette S' genau zwei Produktionen anwendbar: eine der Form AB -> AC, und eine der Form AB -> CB.
(3) PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
1. beide Produktionen in mindestens einem Zeichen überschneidend; wenn genau in einem, dann in dem, das sie beide verändern. (Also bei AB -> AC und DA -> EA das A)
(3) PSPACE-vollständiges Rewriting-Problem
Wie ein solchen System aussähe:
???Wichtig ist nur:
es ist PSPACE-vollständig!(s. Hopcroft, Joseph, Whitesides 1982)
(4.1) Reduktion auf TPP
(4.1) Reduktion auf TPP
Rewriting-System weit entfernt vom Problem des Lagerarbeiters, weil:
„Objekte“ (Zeichen) verschwinden und tauchen aus dem Nichts auf.
Dinge in Lagern verschwinden nicht!
(4.1) Reduktion auf TPP
Näher am Problem des Lagerarbeiters:
„Objekte“ (Zeichen), die irgendwo verschwinden, werden an anderer Stelle aufbewahrt.
Sie werden nicht überschrieben, sondern verschoben.
(4.1) Reduktion auf TPP
Was ist ein Verschiebesproblem für Zeichenketten?
Beispiel 1: einfach
ABC...AABBCC
B wird verschoben:
AC...AABBBCC
(4.1) Reduktion auf TPP
Was ist ein Verschiebeproblem für Zeichenketten?
Beispiel 2: einfache Simulation der Produktion AB -> AC
ABC...AABBCC->A C...AABBBCC->ACC...AABBBC
(4.1) Reduktion auf TPP
also, Ziel:
Simulation der Rewriting-Problems als Verschiebeproblem
(4.1) Reduktion auf TPP
1. Erfordernis: genügend Zeichen zur Verfügung
jedes Zeichen |S| mal vorhanden rechts des ursprünglichen S (ab hier:
signifikanter Teil von STPP) gespeichert:
STPP=ABCD...AA...ABB...BCC...CD.......
(4.1) Reduktion auf TPP
1. Erfordernis: alle Verschiebungen verboten, die nicht speziell erlaubt sind.
Regel: Es darf immer nur ein Zeichen verschoben werden
zwischen zwei Zeichen im signifikanten Teil darf sich die Anzahl der dazwischen stehenden Zeichen nicht verändern.
(4.1) Reduktion auf TPP
Damit: Jede Verschiebung verboten!
Dagegen: Erfordernis 2. eingeschränkt auf die Zeichen aus ∑.
Zeichen aus ∑ ab hier: Standardzeichen
(4.1) Reduktion auf TPP
Realisierung des Verbots:
Indizes: Standardzeichen indiziert: Si hat den Index i mod 3
Nachbarschaftsregel: In jeder Folge AjBkCl von Standardzeichen: j = (k-1 mod 3) und l = (k+1 mod 3)
(4.1) Reduktion auf TPP
also:
A0B1C2D0E1...
Jedes Einfügen eines Standardzeichens X0, X1 oder X2 würde die Nachbarschaftsregel verletzen.
(4.1) Reduktion auf TPP
Folgen für die Gestalt der Zeichenkette:
Jedes Zeichen mit jedem Index |S|/3 mal (aufgerundet) speichern
Problem beim Speichern gleicher Zeichen hintereinander, wegen Nachbarschaftsregel.
(4.1) Reduktion auf TPP
Problem beim Speichern gleicher Zeichen hintereinander, wegen Nachbarschaftsregel:
Lösung: Klammerzeichen, für die die Nachbarschaftsregel nicht gilt:
ΛA0B1C2...Γ...[A0][A0]...[][A1][A1]...[A2][A2]...[B0][B0]...
(4.1) Reduktion auf TPP
Leere Klammerpaare für Zeichen vorhanden, die aktuell im signifikanten Teil sind:
ΛA0B1C2...Γ...[A0][A0]...[][A1][A1]...[A2][A2]...[B0][B0]...
(4.1) Reduktion auf TPP
Bis hier:
alle Voraussetzungen erfüllt jede Verschiebung im signifikanten Teil
verboten
Es fehlen:
erlaubte Verschiebungen
(4.1) Reduktion auf TPP
Realisierung von Verschiebungen:
3 Sonderzeichen Mi01, Mi
12, Mi20 für die i-te
Produktionsregel der Gestalt AB -> AC.
3 Sonderzeichen Nj01, Nj
12, Nj20 für die j-te
Produktionsregel der Gestalt AB -> CB.
(4.1) Reduktion auf TPP
Nachbarschaftsregel M:
Mijk, das zur Produktion AB -> AC gehört,
darf rechts von Aj stehen, und links von Bk oder Ck, oder links von jedem X(k+1 mod 3). (X ∑)
sonst nirgendwo zwischen Standardzeichen.
(4.1) Reduktion auf TPP
Nachbarschaftsregel N:
Nijk, das zur Produktion AB -> CB gehört, darf
links von Bk stehen, und rechts von Aj oder Cj oder rechts von jedem X(j-1 mod 3). (X ∑)
sonst nirgendwo zwischen Standardzeichen.
(4.1) Reduktion auf TPP
Also folgendes erlaubt:
...A0B1C2... -> ...A0Mi01B1C2... -> ...A0Mi
01C2... -> ...A0Mi
01C1C2... -> ...A0C1C2...
wenn M der Produktionsregel AB -> AC entspricht.
ähnlich bei Nijk
(4.1) Reduktion auf TPP
Damit Reduktion fast abgeschlossen, denn:
Rewriteproblem erfüllbar, genau dann, wenn Transpositonsproblem erfüllbar.
(4.1) Reduktion auf TPP
„=>“
Wenn im Rewriteproblem in S' genau zwei Produktionen möglich, dann im Verschiebeproblem im signifikanten Teil die diesen entsprechenden Verschiebungen mit Mi oder Nj möglich.
(4.1) Reduktion auf TPP
„<=“
Andere Verschiebungen als die mit Mi oder Nj nicht möglich.
Von beiden je nur eine möglich, weil im Fall des Einsetzens von Mi und Nj kein weiterer Fortschritt möglich wäre:
(4.1) Reduktion auf TPP
„<=“
1. Wenn Produktionen sich in mehr als einem Zeichen überschneiden, können gar nicht M und N eingesetzt werden, weil sie direkt nebeneinander gesetzt werden müssten – und das ist verboten.
(4.1) Reduktion auf TPP
„<=“
2. Wenn Produktionen sich in genau einem Zeichen überschneiden, folgendes möglich:
...A0Mi01B1Nj
12C2...
B darf jetzt aber nicht verschoben werden, weil sonst M und N nebeneinander
(4.1) Reduktion auf TPP
Also: zu einem Zeitpunkt in TPP genau die Verschiebungen mit Mi oder Nj möglich,
genau dann, wenn Produktionen i oder j in RWP möglich.
Reduktion abgeschlossen!
(4.1) Reduktion auf TPP
Zur Vollständigkeit: Mi und Nj werden in Klammerpaaren rechts des signifikanten Teils gespeichert.
ΛA0B1C2...Γ...[M1
01][M112][M1
20]...[Mi01][Mi
12][Mi20]...
[N101][N1
12][N120]...[Nj
01][Nj12][Nj
20]...[A0][A0]...[][A1][A1]...[A2][A2]...[B0][B0]...
(4.1) Reduktion auf TPP
Man sieht leicht, dass die Reduktion in poynomieller Zeit möglich ist. Also:
TPP ist PSPACE-schwer
RWP≤PTPP
(4.2) Reduktion auf 2DO
(4.2) Reduktion auf 2DO
Verschiebe-Problem für Zeichenketten weit entfernt vom Problem des Lagerarbeiters, weil:
„Objekte“ sind abstrakte Zeichen.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Verschiebe-Problem für 2D-Objekte schon fast Problem des Lagerarbeiters,
außer dass die Objekte beim Problem des Lagerarbeiters rechteckig sein müssen.
(4.2) Reduktion auf 2DO
also, Ziel:
Simulation des Verschiebe-Problems für Zeichenketten als Verschiebe-Problem für
2D-Objekte
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Simulation des Verschiebens der Position eines 2D-Objekts innerhalb einer Reihe von 2D-Objekten
(wie TPP ohne Nachbarschaftsregeln)
kann folgendermaßen aussehen:
(4.2) Reduktion auf 2DO
einfache Simulation blaugraue Objekte können beliebig
umgeordnet werden
(4.2) Reduktion auf 2DO
immer, wenn Lücke an dieser Stelle, genau 2 Bewegungssequenzen mgl., so dass die Lücke wieder dort entsteht
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
1. Sequenz kann wiederholt werden, angezeigter Spalt wird verschoben:
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz
(4.2) Reduktion auf 2DO
2. Sequenz kann nicht wiederholt werden, nur ein blaues Objekt passt
(4.2) Reduktion auf 2DO
beide Sequenzen sind genauso vorwärts wie rückwärts zu vollziehen
in Kombination positionieren sie beliebige blaue Objekte um
eine Art „Transportmaschine“
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position
(4.2) Reduktion auf 2DO
Beispiel: 1. Objekt an 3. Position fertig.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Problem:
(4.2) Reduktion auf 2DO
Problem:
bisher keine Nachbarschaftsregeln,
jedes Objekt darf neben jedes.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Lösung:
(4.2) Reduktion auf 2DO
Lösung:
Einbuchtungen und Ausbuchtungen.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Lösung:
Einbuchtungen und Ausbuchtungen...
(4.2) Reduktion auf 2DO
... von denen manche zusammen passen, andere nicht.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Die genaue Konstruktion spare ich mir, weil sie recht beliebig gewählt ist.
(4.2) Reduktion auf 2DO
aber: Problem:
mit den Ausbuchtungen sind die Objekte breiter und passen nicht mehr in die Lücke.
Man muss die Lücke weiter machen.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Lösung: modifizierte „Maschine“
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert so:
(4.2) Reduktion auf 2DO
funktioniert!
(4.2) Reduktion auf 2DO
Damit ist die Simulation komplett:
(4.2) Reduktion auf 2DO
Damit ist die Simulation komplett:
„=>“ Jedes Verschiebe-Problems von Zeichenketten ist eindeutig als Problem von 2D-Objekten darstellbar
(4.2) Reduktion auf 2DO
Damit ist die Simulation komplett:
„<=“ Jede Instanz von 2DO stellt eindeutig eine Instanz von TPP dar, weil: alle ungewollten Bewegungen ausgeschlossen (führen dazu, dass weitere Bewegungen nicht möglich sind)
(4.2) Reduktion auf 2DO
Dass die Reduktion in polynomieller Zeit vonstatten geht, dürfte offensichtlich sein.
(4.2) Reduktion auf 2DO
Also gilt:
Das Verschiebeproblem für 2D-Objekte ist damit PSPACE-schwer.
RWP≤PTPP≤P2DO
(4.3) Reduktion auf WMP
(4.3) Reduktion auf WMP
2DO ist schon fast Problem des Lagerarbeiters
Nur die signifikanten Objekte sind noch nicht rechteckig:
(4.3) Reduktion auf WMP
2DO ist schon fast „Möbelrücken“
Nur die signifikanten Objekte sind noch nicht rechteckig:
(4.3) Reduktion auf WMP
also Ziel:
signifikante Blöcke durch Rechtecke simulieren
alle ungewollten Bewegungen ausschließen
(4.3) Reduktion auf WMP
1. Blöcke durch Rechtecke simulierenAm Einfachsten durch horizontales Zerteilen:
(4.3) Reduktion auf WMP
Problem: Blöcke können nach links durchrutschen.
(4.3) Reduktion auf WMP
Beispiel: Der Block rechts sollte nicht passen.
(4.3) Reduktion auf WMP
Beispiel: Der Block rechts sollte nicht passen. Aber:
(4.3) Reduktion auf WMP
Lösungsansatz: Eine „Wirbelsäule“ zwischen die „Rippen“ schieben.
(4.3) Reduktion auf WMP
Funktioniert!
(4.3) Reduktion auf WMP
Reicht aber nicht hin:
Weitere ungewollte Bewegungen bei geöffneter Lücke:
Austausch von „Rippen“ zweier Blöcke
Austausch von Rippen innerhalb der linken bzw. rechten Seite eines Blocks
(4.3) Reduktion auf WMP
Voraussetzung der Lösung beider Probleme:
Zwischenblöcke („Spacer“) einfügen:
(4.3) Reduktion auf WMP
Zwischenblöcke sind mindestens doppelt so breit wie normale, passen also nie in die Transportmaschine.
Normale und Zwischenblöcke werden modifiziert, so das keine normalen Blöcke nebeneinander passen:
(4.3) Reduktion auf WMP
Trennlagen (rot), in denen Rippen der Zwischenblöcke kürzer, die normaler Blöcke länger sind:
(4.3) Reduktion auf WMP
Trennlagen (rot), in denen Rippen der Zwischenblöcke kürzer, die normaler Blöcke länger sind.
Deshalb passen zwei normale Blöcke nicht nebeneinander.
(4.3) Reduktion auf WMP
normale Lagen (grün), bei denen alle Blöcke ihre normale Breite haben
(4.3) Reduktion auf WMP
normale Lagen (grün), bei denen alle Blöcke ihre normale Breite haben
Deshalb bleiben die Regeln erhalten, nach denen zwei Blöcke Blöcke hintereinander passen, oder nicht. (Jetzt nur mit Zwischenblock)
(4.3) Reduktion auf WMP
blaue Lage passt, weil der linke Block ein-, der rechte ausgebuchtet ist, und der Zwischenblock normal.
(4.3) Reduktion auf WMP
blaue Lage passt, weil der linke Block ein-, der rechte ausgebuchtet ist, und der Zwischenblock normal.
Wäre der linke nicht eingebuchtet, würden die Blöcke auch weiterhin nicht passen.
(4.3) Reduktion auf WMP
um später Einfügen von Spezialzeichen simulieren zu können:
immer zwei Zwischenblöcke zwischen normalen Blöcken
(4.3) Reduktion auf WMP
Jetzt zurück zu den Problemen:
(4.3) Reduktion auf WMP
Weitere ungewollte Bewegungen bei geöffneter Lücke:
Austausch von „Rippen“ zweier Blöcke
Austausch von Rippen innerhalb der linken bzw. rechten Seite eines Blocks
(4.3) Reduktion auf WMP
1. Problem: Austausch von Rippen innerhalb der linken bzw. rechten Seite eines Blocks
Lösung: Einführung verschiedener Höhen der Lagen („Rippen“).
Wenn die unterste (0-te) Lage die Höhe h hat, dann die i-te die Höhe h/3i
(4.3) Reduktion auf WMP
jede Lage mehr als doppelt so hoch wie alle höheren zusammen
Weil sonst die Trennlagen nicht mehr in die Zwischenblöcke passten, Austausch ausgeschlossen.
(4.3) Reduktion auf WMP
1. Problem: Austausch von Rippen zwischen zwei Blöcken (nur, wenn sich einer der beiden in der Transportlücke befindet).
Lösung: Einführung minimaler Höhenunterschiede
(4.3) Reduktion auf WMP
Rippen in Trennlagen: minimal weniger hoch als die Lage
die anderen Rippen: minimal höher als die Lage
(4.3) Reduktion auf WMP
zwei Regeln für die Unterschiede:
Alle Rippen der rechten Seite eines Blocks zusammen genauso hoch wie der Block. (genauso links)
Keine andere Kombination von Rippen der beiden Blöcke ganz genau so hoch.
(4.3) Reduktion auf WMP
Deshalb ließe sich einer der beiden Blöcke mit ausgetauschten Rippen nicht mehr normal einpassen
Die Bewegung stoppte.
(4.3) Reduktion auf WMP
Damit alle ungewollten Bewegungen ausgeschlossen.
2DO ist damit eineindeutig simuliert. („=>“ und „<=“)
Die Reduktion ist vollständig.
(4.3) Reduktion auf WMP
Dass die Reduktion in polynomieller Zeit funktioniert, dürfte klar sein.
Einziges Problem: Die minimalen Unterschiede sind schwierig zu berechnen. Aber deren Zahl hängt nur von der Größe des Alphabets und der Menge der Produktionen (aus RWP) ab, nicht von der Eingabelänge. Also konstant.
(4.3) Reduktion auf WMP
also:
daraus folgt:
Problem des Lagerarbeiters ist PSPACE-schwer
RWP≤PTPP≤P2DO≤PWMP
(5) Anhang
Literatur
(1) J.E. Hopcroft, J.T. Schwartz, M. Sharir, „On the Complexity of Motion Planning for Multiple Independent Objects; PSPACE-Hardness of the „Warehouseman's Problem““, in: The International Journal of Robotic Research, 1984
(2) J.E. Hopcroft, D. Joseph, S. Whitesides, „Movement problems for 2-dimensional Linkages“, SIAM Journal Computing, 1984 (erstmalig 1982)
(3) Ingo Wegener, Theoretische Informatik – eine algorithmenorientierte Einführung, Stuttgart/Leipzig, 1999
(5) Anhang
Fragen?
(5) Anhang
Danke für die Aufmerksamkeit!