A data structure for spanning tree optimization problems

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Barbosa, Marco Aurélio Lopes
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-29082019-141240/
Resumo: Spanning tree optimization problems are related to many practical applications. Several of these problems are NP-Hard, which limits the utility of exact methods and can require alternative approaches, like metaheuristics. A common issue for many metaheuristics is the data structure used to represent and manipulate the solutions. A data structure with efficient operations can expand the usefulness of a method by allowing larger instances to be solved in a reasonable amount of time. We propose the 2LETT data structure and uses it to represent spanning trees in two metaheuristics: mutation-based evolutionary algorithms and local search algorithms. The main operation of 2LETT is the exchange of one edge in the represented tree by another one, and it has O(√n) time, where n is the number of vertices in the tree. We conducent qualitative and quantitative evaluations for 2LETT and other structures in the literature. For the main operation of edge exchange in evolutionary algorithms, the computational experiments show that 2LETT has the best performance for trees with more than 10,000 vertices. For local search algorithms, 2LETT is the best option to deal with large trees with large diameters.
id USP_3be9cd121abef10c6ef2cd07aee38e07
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-29082019-141240
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str 2721
spelling A data structure for spanning tree optimization problemsUma estrutura de dados para problemas de otimização de árvores geradorasAlgoritmos de busca localAlgoritmos evolutivosÁrvores geradorasDynamic tree data structuresEstrutura de dados de árvores dinâmicasEvolutionary algorithmsLocal search algorithmsSpanning treesSpanning tree optimization problems are related to many practical applications. Several of these problems are NP-Hard, which limits the utility of exact methods and can require alternative approaches, like metaheuristics. A common issue for many metaheuristics is the data structure used to represent and manipulate the solutions. A data structure with efficient operations can expand the usefulness of a method by allowing larger instances to be solved in a reasonable amount of time. We propose the 2LETT data structure and uses it to represent spanning trees in two metaheuristics: mutation-based evolutionary algorithms and local search algorithms. The main operation of 2LETT is the exchange of one edge in the represented tree by another one, and it has O(√n) time, where n is the number of vertices in the tree. We conducent qualitative and quantitative evaluations for 2LETT and other structures in the literature. For the main operation of edge exchange in evolutionary algorithms, the computational experiments show that 2LETT has the best performance for trees with more than 10,000 vertices. For local search algorithms, 2LETT is the best option to deal with large trees with large diameters.Os problemas de otimização de árvores geradoras estão relacionados a muitas aplicações práticas. Vários desses problemas são NP-difícies, o que limita a utilidade de métodos exatos e pode exigir abordagens alternativas, como metaheurísticas. Um questão relevante para muitas metaheurísticas é a estrutura de dados usada para representar e manipular as soluções. Uma estrutura de dados com operações eficientes pode aumentar a utilidade de um método, permitindo que instâncias maiores sejam resolvidas em um período de tempo razoável. Propomos a estrutura de dados 2LETT e a usamos para representar árvores geradoras em duas metaheurísticas: algoritmos evolutivos baseados em mutações e algoritmos de busca local. A operação principal da 2LETT é a troca de uma aresta na árvore representada por outra aresta. Esta operação tem tempo de O(√n), onde n é o número de vértices na árvore. Conduzimos avaliações qualitativas e quantitativas para 2LETT e outras estruturas na literatura. Para a principal operação de troca de arestas em algoritmos evolutivos, os experimentos computacionais mostram que a 2LETT possui o melhor desempenho para árvores com mais de 10.000 vértices. Para algoritmos de busca local, o 2LETT é a melhor opção para lidar com árvores grandes com grandes diâmetros.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPDelbem, Alexandre Cláudio BotazzoBarbosa, Marco Aurélio Lopes2019-06-17info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-29082019-141240/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2019-11-08T23:48:50Zoai:teses.usp.br:tde-29082019-141240Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212019-11-08T23:48:50Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.none.fl_str_mv A data structure for spanning tree optimization problems
Uma estrutura de dados para problemas de otimização de árvores geradoras
title A data structure for spanning tree optimization problems
spellingShingle A data structure for spanning tree optimization problems
Barbosa, Marco Aurélio Lopes
Algoritmos de busca local
Algoritmos evolutivos
Árvores geradoras
Dynamic tree data structures
Estrutura de dados de árvores dinâmicas
Evolutionary algorithms
Local search algorithms
Spanning trees
title_short A data structure for spanning tree optimization problems
title_full A data structure for spanning tree optimization problems
title_fullStr A data structure for spanning tree optimization problems
title_full_unstemmed A data structure for spanning tree optimization problems
title_sort A data structure for spanning tree optimization problems
author Barbosa, Marco Aurélio Lopes
author_facet Barbosa, Marco Aurélio Lopes
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Delbem, Alexandre Cláudio Botazzo
dc.contributor.author.fl_str_mv Barbosa, Marco Aurélio Lopes
dc.subject.por.fl_str_mv Algoritmos de busca local
Algoritmos evolutivos
Árvores geradoras
Dynamic tree data structures
Estrutura de dados de árvores dinâmicas
Evolutionary algorithms
Local search algorithms
Spanning trees
topic Algoritmos de busca local
Algoritmos evolutivos
Árvores geradoras
Dynamic tree data structures
Estrutura de dados de árvores dinâmicas
Evolutionary algorithms
Local search algorithms
Spanning trees
description Spanning tree optimization problems are related to many practical applications. Several of these problems are NP-Hard, which limits the utility of exact methods and can require alternative approaches, like metaheuristics. A common issue for many metaheuristics is the data structure used to represent and manipulate the solutions. A data structure with efficient operations can expand the usefulness of a method by allowing larger instances to be solved in a reasonable amount of time. We propose the 2LETT data structure and uses it to represent spanning trees in two metaheuristics: mutation-based evolutionary algorithms and local search algorithms. The main operation of 2LETT is the exchange of one edge in the represented tree by another one, and it has O(√n) time, where n is the number of vertices in the tree. We conducent qualitative and quantitative evaluations for 2LETT and other structures in the literature. For the main operation of edge exchange in evolutionary algorithms, the computational experiments show that 2LETT has the best performance for trees with more than 10,000 vertices. For local search algorithms, 2LETT is the best option to deal with large trees with large diameters.
publishDate 2019
dc.date.none.fl_str_mv 2019-06-17
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-29082019-141240/
url http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-29082019-141240/
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv
dc.rights.driver.fl_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Liberar o conteúdo para acesso público.
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.coverage.none.fl_str_mv
dc.publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
publisher.none.fl_str_mv Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
dc.source.none.fl_str_mv
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1809091182362361856