Sıfır bastırılmış karar diyagramı - Zero-suppressed decision diagram

Bir sıfır bastırılmış karar diyagramı (ZSDD veya ZDD) belirli bir tür ikili karar diyagramı (BDD) sabit değişken sıralaması ile. Bu veri yapısı setlerin kanonik olarak kompakt bir gösterimini sağlar, özellikle belirli için uygun kombinatoryal problemler. OBDD azaltma stratejisini hatırlayın, yani her iki çıkış da aynı düğümü işaret ediyorsa, karar ağacından bir düğüm kaldırılır. Bunun tersine, bir ZDD'deki bir düğüm, pozitif kenarı terminal düğümü 0'a işaret ederse kaldırılır. Bu, seyrek kümelerin iyileştirilmiş sıkıştırması ile alternatif bir güçlü normal form sağlar. Tarafından tasarlanan bir indirim kuralına dayanmaktadır. Shin-ichi Minato 1993 yılında.

Arka fon

İçinde İkili Karar Diyagramı, bir Boole işlevi köklü, yönlendirilmiş olarak temsil edilebilir, döngüsel olmayan grafik, birkaç karar düğümünden ve terminal düğümünden oluşan. 1993 yılında Japonya'dan Shin-ichi Minato değiştirildi Randal Bryant Çözüm için BDD'leri kombinatoryal problemler. "Sıfır Bastırılmış" BDD'leri temsil ve manipüle etmeyi amaçlıyor seyrek bit vektörleri kümeleri. Bir probleme ilişkin veriler n uzunluklu bit vektörleri olarak temsil edilirse, bu durumda vektörlerin herhangi bir alt kümesi, değişken atamasına karşılık gelen vektör kümede olduğunda 1 veren n değişken üzerinden Boole fonksiyonu ile temsil edilebilir.

Bryant'a göre şu formları kullanmak mümkündür: mantık fonksiyonları ürünlerin toplamını içeren sorunları ifade etmek. Bu tür formlar genellikle her biri 0, 1 ve - sembollerini içeren bir dizeyle gösterilen "küpler" kümeleri olarak temsil edilir. Örneğin, işlev set ile gösterilebilir . Sırasıyla 1, 0 ve - sembollerini belirtmek için 10, 01 ve 00 bitlerini kullanarak, yukarıdaki set şu şekilde bit vektörleriyle temsil edilebilir: . Vektörlerin sayısı 2'den az olduğundan, bit vektörleri kümesinin seyrek olduğuna dikkat edin.n, bu maksimum bit vektör sayısıdır ve küme sıfıra eşit birçok öğe içerir. Bu durumda, düğüm değişkeninin 1'e ayarlanması, fonksiyonun 0 vermesine neden olursa bir düğüm atlanabilir. Bu, bazı bit konumunda 1'in vektörün kümede olmadığını ima etmesi koşulunda görülür. Seyrek kümeler için bu durum yaygındır ve bu nedenle birçok düğüm elemesi mümkündür.

Minato, ZDD'lerin özellikle aşağıdakiler için uygun olduğunu kanıtlamıştır: kombinatoryal problemler klasik problemler gibi iki seviyeli mantık minimizasyonu, şövalyenin tur problemi hata simülasyonu, zamanlama analizi, N-kraliçeler sorunu ve zayıf bölünme. ZDD'ler kullanılarak, OBDD'lerdeki bir n-bit vektörler kümesinin temsilinin boyutu en fazla bir n faktörü kadar azaltılabilir. Pratikte optimizasyon istatistiksel olarak anlamlı.

Tanımlar

Sıfır Bastırılmış Karar Diyagramı (ZDD) herhangi bir yönlendirilmiş döngüsel olmayan grafik olarak tanımlıyoruz, öyle ki:

1 A terminal düğümü şunlardan biri:
  • Özel ⊤ düğüm (DOĞRU düğüm) veya:
  • Özel ⊥ düğüm (YANLIŞ düğüm).
2. Her bir terminal dışı düğüm aşağıdaki koşulları karşılar:
a. Düğüm, pozitif bir tamsayı v ile etiketlenir. Bu etiketin benzersiz olması gerekmez.
b. Düğümün çıkış derecesi 2'dir. Giden kenarlardan biri "LO" ve diğeri "HI" olarak adlandırılır. (Diyagramlarda, LO kenarları için noktalı çizgiler ve HI kenarları için düz çizgiler çizilebilir)
c. Bir hedef düğüm ya uçbirimdir ya da kesinlikle v'den daha büyük bir tamsayı ile etiketlenmiştir. Bu nedenle, diyagramlarda ok uçları çıkarılabilir çünkü kenar yönleri etiketlerden çıkarılabilir.
d. HI kenarı hiçbir zaman ⊥ düğümünü göstermez.
3. Derece olarak sıfır olan tam olarak bir düğüm vardır - kök düğüm. Kök düğüm ya uçbirimdir ya da diyagramdaki en küçük tamsayı ile etiketlenmiştir.
4. İki düğüm aynı etikete sahipse, LO veya HI kenarları farklı düğümlere işaret eder. Başka bir deyişle, fazlalık düğümler yoktur.

Bir HI kenarı bir ⊥ düğümünü gösteriyorsa veya koşul 4 tutulamazsa, Z'ye indirgenmemiş ZDD diyoruz.

Şekil 1 ve Şekil 2: ZDD düğüm eleme ve düğüm paylaşımı

Bilgisayar programlarında Boole fonksiyonları bit cinsinden ifade edilebilir, bu nedenle ⊤ düğümü ve ⊥ düğümü 1 ve 0 ile temsil edilebilir. Yukarıdaki tanımdan, BDD'lere iki kural uygulayarak kombinasyon kümelerini verimli bir şekilde temsil edebiliriz:

1. 1-kenarı 0-terminal düğümünü gösteren tüm düğümleri ortadan kaldırın. Ardından, Şekil 1'de gösterildiği gibi kenarı diğer alt grafiğe doğrudan bağlayın.
2. Tüm eşdeğer alt grafikleri orijinal BDD'ler ile aynı şekilde paylaşın.

Girdi değişkenlerinin sayısı ve sırası sabitse, sıfır bastırılmış BDD, benzersiz bir şekilde bir Boole işlevini temsil eder (Şekil 2'de kanıtlandığı gibi, bir Boole ikili ağacı temsil etmek için bir BDD kullanmak mümkündür).

Bir set ailesini temsil etmek

F bir ZDD olsun. Kök düğümü v olsun. Sonra:

1. Eğer v = ⊥ ise, o zaman başka düğüm olamaz ve F boş aile Ø'yi temsil eder.
2. Eğer v = ⊤ ise, o zaman başka düğüm olamaz ve F sadece {Ø} boş kümesini içeren aileyi temsil eder. Biz buna birim ailesi diyoruz ve ile ifade ediyoruz.
3. Eğer v'nin iki çocuğu varsa. LO düğümü v0 ve HI düğümü v1 olsun. Fi kökeni vi olan ZDD tarafından temsil edilen aile olsun, bu da indüksiyon kanıtıyla gösterilebilir. O zaman F aileyi temsil eder

LO dalı, F'deki kümeleri içermeyen kümeler olarak temsil edilebilir v:

Ve F'deki kümeler olarak HI dalı, v:

Şekil 3: ZDD'de temel aile
Şekil 4:

Misal

Şekil 5:
Şekil 6:

Şekil 3: Aile . Buna diyebiliriz , temel bir aile. Temel aileler formdan oluşur ve ile gösterilir .

Şekil 4: Aile

Şekil 5: Aile

Şekil 6: Aile

Özellikleri

ZDD'lerin bir özelliği, kombinasyon kümeleri aynı olduğu sürece formun giriş değişkenlerinin sayısına bağlı olmamasıdır. Grafikler oluşturmadan önce girdi değişkenlerinin sayısını sabitlemek gereksizdir. ZDD'ler, hiçbir zaman kombinasyon halinde görünmeyen nesneler için değişkenleri otomatik olarak bastırır, bu nedenle seyrek kombinasyonları işleme verimliliği sağlar. ZDD'lerin diğer bir avantajı, grafikteki 1-yolların sayısının, kombinasyon kümesindeki elemanların sayısına tam olarak eşit olmasıdır. Orijinal BDD'lerde, düğüm eliminasyonu bu özelliği bozar. Bu nedenle, ZDD'ler kombinasyon kümelerini temsil etmek için basit BDD'lerden daha iyidir. Bununla birlikte, Şekil 7'de gösterildiği gibi, sıradan Boole işlevlerini temsil ederken orijinal BDD'leri kullanmak daha iyidir.

Şekil 7: Bit manipülasyonu ve temel işlemler. Şekil 8: Alakasız değişkenlerin bastırılması

Temel işlemler

Burada, orijinal BDD'lerden biraz farklı oldukları için ZDD'ler için temel işlemlere sahibiz. Aşağıdaki tablodan oluşturulan örnekler için Şekil 8'e başvurulabilir.

Empty (), ø (boş küme) döndürür
Base (), {0} değerini döndürür
Alt küme1 (P, var) aşağıdaki gibi P'nin alt kümesini döndürür: var = 1
Alt küme0 (P, var) aşağıdaki gibi P'nin alt kümesini döndürür: var = 0
Değişim (P, var), var tersine çevrildi
Union (P, Q), ()
Intsec (P, Q), ()
Diff (P, Q), ()
Count (P) döndürür . (eleman sayısı)

ZDD'lerde, orijinal BDD'lerde önemli bir işlem olan NOT işlemi yoktur. Nedeni, tamamlayıcı kümesinin evrensel küme tanımlanmadan hesaplanamaz . ZDD'lerde, Diff (U, P) olarak hesaplanabilir.

Algoritmalar

Varsayalım , bir ZDD'deki set sayısını yinelemeli olarak hesaplayabiliriz, bu da bize 34'üncü 54 üyeli bir aile kurmamızı sağlar. Rastgele erişim hızlıdır ve bir dizi set için olası herhangi bir işlem, bir ZDD üzerinde verimlilikle yapılabilir.

Minato'ya göre, ZDD'ler için yukarıdaki işlemler orijinal BDD'ler gibi yinelemeli olarak yürütülebilir. Algoritmaları basitçe tanımlamak için prosedürü tanımlarız Getnode (üst, P0, P1) bu, değişken bir tepe ve iki alt grafik P0 ve P1 için bir düğüm döndürür. Her düğümü benzersiz tutmak için uniq-table adı verilen bir karma tablo kullanabiliriz. Düğüm eliminasyonu ve paylaşımı yalnızca tarafından yönetilir Getnode ().

 Getnode (top, P0, P1) {if (P1 == ø) P0 döndürür; / * düğüm eliminasyonu * / P = uniq tablosunda (top, P0, P1) ile bir düğüm arayın; (P varsa), P döndürür; / * düğüm paylaşımı * / P = (top, P0, P1) ile bir düğüm oluştur; uniq-tabloya P ekler; dönüş P; }

Kullanma Getnode (), daha sonra diğer temel işlemleri aşağıdaki gibi gösterebiliriz:

 Altküme1 (P, var) {if (P.top  var) Getnode (P.top, Subset1 (P0, var), Subset1 (P1, var)) döndürürse; } 
 Alt küme0 (P, var) {if (P.top  var) Getnode (P.top, Subset0 (P0, var), Subset0 (P1, var)); } 
 Değiştir (P, var) {if (P.top  var) Getnode (P.top, Change (P0, var), Change (P1, var)) döndürürse; } Birleşim (P, Q) {if (P == ø) Q döndürür; eğer (Q == ø) P döndürür; eğer (P == Q) P döndürür; eğer (P.top> Q.top) Getnode (P.top, Union (P0, Q), P1) döndürürse; eğer (P.top 
 Intsec (P, Q) {if (P == ø) ø döndürür; eğer (Q == ø) ø döndür; eğer (P == Q) P döndürür; eğer (P.top> Q.top) Intsec (P0, Q) döndürürse; eğer (P.top 
 Fark (P, Q) {if (P == ø) ø döndürür; eğer (Q == ø) P döndürür; eğer (P == Q) ø döndür; eğer (P.top> Q.top) Getnode (P.top, Diff (P0, Q), P1;) döndürürse (P.top 
 Say (P) {if (P == ø) 0 döndürür; eğer (P == {ø}) 1 döndürür; dönüş Sayımı (P0) + Sayım (P1); }

Bu algoritmalar, en kötü durumda değişkenlerin sayısı için üstel bir süre alır; ancak, BDD'lerde benzer şekilde son işlemlerin sonuçlarını ezberleyen bir önbellek kullanarak performansı artırabiliriz. Önbellek, eşdeğer alt grafikler için yinelenen yürütmeleri önler. Yineleme olmadan algoritmalar, Şekil 9 ve 10'da gösterildiği gibi grafiklerin boyutuyla orantılı bir zamanda çalışabilir.

Şekil 9: N-Queens Probleminde Sonuçlar Şekil 10: ZDD'lerin ve BDD'lerin performansı

Uygulama

Sözlük olarak ZDD'ler

ZDD'ler, İngilizce'nin beş harfli kelimelerini temsil etmek için kullanılabilir, SÖZCÜKLER (5757 boyutunda) Stanford GraphBase Örneğin, bunu yapmanın bir yolu, işlevi dikkate almaktır. bu 1 olarak tanımlanır ancak ve ancak beş numara , , ..., İngilizce bir kelimenin harflerini kodlayın, burada , ..., . Örneğin,. 25 değişkenin fonksiyonu Z (f) = 6233 düğüme sahiptir - bu 5757 kelimeyi temsil etmek için çok kötü değildir. ikili ağaçlar, dener veya karma tablolar, bir ZDD basit aramaları tamamlamak için en iyisi olmayabilir, ancak yalnızca kısmen belirlenmiş veya sadece bir anahtarla yaklaşık olarak eşleştiği varsayılan veriyi geri getirmede etkilidir. Karmaşık sorgular kolaylıkla ele alınabilir. Dahası, ZDD'ler çok fazla değişken içermez. Aslında, bir ZDD kullanarak, bu beş harfli kelime seyrek bir fonksiyon olarak temsil edilebilir. 26 × 5 = 130 değişkenli, burada değişken örneğin ikinci harfin "a" olup olmadığını belirler. "Deli" kelimesini temsil etmek için, kişi F'yi doğru yapabilir ve diğer tüm değişkenler 0'dır, bu nedenle, F 5757 alt kümeden oluşan bir aile olarak kabul edilebilir , vb. Bu 130 değişkenle ZDD boyutu Z (F) aslında 6233 yerine 5020'dir. Knuth'a göre BDD kullanan B (F) 'nin eşdeğer boyutu 46.189'dur - Z (F)' den önemli ölçüde daha büyüktür. Benzer teorilere ve algoritmalara sahip olmalarına rağmen, ZDD'ler bu problem için BDD'lerden oldukça büyük bir farkla üstün performans gösterirler. Sonuç olarak, ZDD'ler BDD'ler için çok zahmetli olan belirli sorguları gerçekleştirmemize izin verir. Karmaşık alt küme aileleri, temel ailelerden kolaylıkla oluşturulabilir. Belirli bir örüntü içeren sözcükleri aramak için, hesaplamak için ZDD'lerde aile cebiri kullanılabilir burada P örüntüdür, ör. .

Şekil 11: üçe üç ızgara

Basit yolları temsil etmek için ZDD'ler

Temsil etmek için ZDD'ler kullanılabilir basit yollar içinde yönsüz grafik. Örneğin, herhangi bir noktayı iki kez ziyaret etmeden üçe üçlük bir ızgaranın (Şekil 11'de gösterilmektedir) sol üst köşesinden sağ alt köşeye gitmenin 12 yolu vardır.

Şekil 12: Bir köşeden diğer köşegen köşeye gitmek için 12 olası yol

Bu yollar Şekil 13'te gösterilen ZDD ile temsil edilebilir. Bu ZDD'de, ilk yolu ZDD'nin düğüm 13, düğüm 36, düğüm 68 ve düğüm 89'daki HI dallarını alarak elde ederiz (basitçe ⊥'ye giden LO dalları) atlanmıştır). Şekil 13'teki ZDD hiçbir şekilde önemli görünmese de, ızgara büyüdükçe ZDD'nin avantajları açık hale gelir. Örneğin, sekize sekize bir ızgara için, köşeden köşeye basit yolların sayısı 789, 360.053.252 (Knuth) olur. Yollar, bir ZDD kullanılarak 33580 düğüm ile gösterilebilir.

Şekil 13: üçe üç ızgaranın basit yolları için ZDD

Basit yollar için gerçek bir dünya örneği Randal Bryant tarafından önerildi, "Farz edin ki Amerika Kıta'sında bir sürüş turu yapmak, tüm eyalet başkentlerini ziyaret etmek ve her eyaletten yalnızca bir kez geçmek istedim. Toplam mesafeyi en aza indirmek için hangi yolu kullanmalıyım? " Şekil 14, bu yol haritası için yönsüz bir grafiği göstermektedir, sayılar komşu başkentler arasındaki en kısa mesafeleri göstermektedir. Sorun, bu kenarların bir alt kümesini seçmektir. Hamilton yolu en küçük toplam uzunluk. Her Hamilton yolu bu grafikte Augusta, Maine'de (ME) başlamalı veya bitmelidir. CA'da başladığını varsayalım. CA'dan ME'ye kadar tüm yolları karakterize eden bir ZDD bulunabilir. Knuth'a göre, bu ZDD'nin yalnızca 7850 düğüme sahip olduğu ortaya çıkıyor ve bu, CA'dan ME'ye tam olarak 437,525,772,584 basit yolun mümkün olduğunu etkili bir şekilde gösteriyor. Kenar sayısına göre, oluşturma işlevi

                      ;

bu nedenle, bu türden en uzun yollar 2,707,075 boyutuyla Hamiltoniyendir. Bu durumda ZDD'ler basit yollar için etkilidir ve Hamilton yolları.

Şekil 14: Kıta ABD eyaletlerinin yönsüz bir grafiği

Sekiz kraliçe sorunu

Bir satranç tahtasındaki kareleri temsil etmek için 64 giriş değişkeni tanımlayın. Her değişken, o karede bir vezirin varlığını veya yokluğunu gösterir. Bunu bir düşün,

  • Belirli bir sütunda sadece bir değişken "1" dir.
  • Belirli bir satırda yalnızca bir değişken "1" dir.
  • Belirli bir çapraz çizgide, değişkenlerden biri veya hiçbiri "1" dir.

OBDD'ler oluşturularak bu problem çözülebilse de ZDD'lerin kullanılması daha verimlidir. 8 Vezir problemi için bir ZDD oluşturmak, S1'den S8'e 8 adım gerektirir. Her adım aşağıdaki gibi tanımlanabilir:

Ö1: İlk sıraya bir vezir koymanın tüm seçeneklerini temsil eder.
Ö2: İlk veziri ihlal etmemek için ikinci sıraya vezir koymanın tüm seçeneklerini temsil eder.
Ö3: Önceki kraliçeleri ihlal etmemesi için üçüncü sıraya bir vezir koymanın tüm seçeneklerini temsil eder.
S8: Önceki vezirleri ihlal etmemesi için sekizinci sıraya bir vezir koymanın tüm seçeneklerini temsil eder.

S8 için ZDD, 8-Queens probleminin tüm potansiyel çözümlerinden oluşur. Bu özel sorun için, önbelleğe alma, algoritmanın performansını önemli ölçüde artırabilir. Yinelemeleri önlemek için önbellek kullanmak, N-Queens sorunlarını yalnızca Şekil 10'da gösterilen temel işlemleri (yukarıda tanımlandığı gibi) kullanmaktan 4,5 kat daha hızlı iyileştirebilir.

Knight’ın tur sorunu

Knight’ın tur sorunu tarihsel bir öneme sahiptir. Atın grafiği satranç tahtasının karelerini gösteren n2 köşesi içerir. Kenarlar bir şövalyenin yasal hareketlerini göstermektedir. Şövalye, tahtanın her karesini tam olarak bir kez ziyaret edebilir. Olaf Schröer, M. Löbbing ve Ingo Wegener, grafikteki her kenar için Boole değişkenleri atayarak ve tüm kenarları belirlemek için toplam 156 değişken atayarak bu soruna, yani bir tahtada yaklaştılar. Sorunun çözümü 156 bitlik bir kombinasyon vektörü ile ifade edilebilir. Minato'ya göre, tüm çözümler için bir ZDD'nin yapısı doğrudan çözülemeyecek kadar büyük. Bölmek ve fethetmek daha kolay. Problemleri panonun iki parçasına bölerek ve alt uzaylarda ZDD'ler inşa ederek, The Knight’ın tur problemi 64 kenar içeren her bir çözümle çözülebilir. Bununla birlikte, grafik çok seyrek olmadığından, ZDD'leri kullanmanın avantajı o kadar açık değildir.

Hata Simülasyonu

N. Takahashi ve arkadaşları, OBDD'leri kullanarak birden fazla hata verilen bir hata simülasyon yöntemi önermiştir. Bu tümdengelimli yöntem, arıza setlerini birincil girişlerden birincil çıkışlara iletir ve birincil çıkışlardaki hataları yakalar. Bu yöntem birleşik küp kümesi ifadeleri içerdiğinden, ZDD'ler daha verimlidir. Birleştirilmiş küp seti hesaplamalarında ZDD'lerden elde edilen optimizasyonlar, ZDD'lerin VLSI CAD sistemleri geliştirmede ve sayısız başka uygulamada faydalı olabileceğini göstermektedir.

Ayrıca bakınız

Mevcut paketler

  • CUDD: BDD'leri ve ZBDD'leri uygulayan C'de yazılmış bir BDD paketi, Colorado Üniversitesi, Boulder
  • JDD Ortak BDD ve ZBDD işlemlerini uygulayan bir java kitaplığı
  • Graphillion Python tabanlı bir ZDD yazılım uygulaması
  • [1] Donald Knuth tarafından bir CWEB ZDD uygulaması.

Referanslar

Dış bağlantılar