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Algorithmikpraktikum: Solving NP-hard Problems in Practice

Semester
Wintersemester 2023/2024
Sommersemester 2025Wintersemester 2024/2025Sommersemester 2024Sommersemester 2023Wintersemester 2021/2022Sommersemester 2021Wintersemester 2020/2021
StudiengangInformatik Bachelor
IBR GruppeALG (Prof. Fekete)
ArtVorlesung & Übung
Dozent
Photo
Prof. Dr. Sándor P. Fekete
Abteilungsleiter
s.fekete[[at]]tu-bs.de
+49 531 3913111
Raum 335
Assistent
Photo
Dr. Dominik Krupke
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
krupke[[at]]ibr.cs.tu-bs.de
+49 531 3913112
Raum 317
Hiwi
Anonymous Photo
Gabriel Gehrke
ggehrke[[at]]ibr.cs.tu-bs.de
LP5
SWS0+3
Ort & ZeitTuesdays, 16:45-19:00, IZ 305.
Beginn07.11.2023
Voraussetzungen Zwingend erforderlich sind der souveräne Umgang mit dem Stoff aus Algorithmen und Datenstrukturen, gute Programmierkenntnisse (insb. Python), sowie Teamfähigkeit. Hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich sind Wahlpflichtveranstaltungen der Algorithmik, wie zum Beispiel Algorithmen und Datenstrukturen 2, Netzwerkalgorithmen, , Algorithm Engineering oder Mathematische Methoden der Algorithmik.
Sprache Deutsch
Anmeldung To register for this module, please sign up for the mailing list. At the beginning of the semester, you will get a mail with the details for kickoff meeting. The course is full and no further sign ups are accepted. Everyone already on the mailing list is accepted if the kick-off meeting for the group assignment is atteneded. The lab can be either attended as a normal lab (Wahlpflichtbereich) or as team project.
Inhalt

Optimization problems occur in many practical applications of computer science, such as planning routes or scheduling jobs. Some of them, e.g. shortest paths, are easy to solve to optimality, at least with the proper theoretical background. Many of them are not and can be proved to be NP-hard, i.e., there is probably no algorithm that can solve every instance of the problem efficiently to provable optimality. The most common tactic for these cases is to just implement a heuristic, e.g., a genetic algorithm. But is there really no hope for an optimal algorithm? During this lab, we will investigate three techniques that can actually compute optimal solutions in reasonable time for instances of reasonable size for many problems. These techniques are:

  • Constraint Programming with CP-SAT. A very generic technique that allows you to specify the constraints of the problem and it will try to solve it by a portfolio of techniques, especially the next mentioned two.
  • SAT Solver that can often solve very large logical formulas, and by a clever application can also be tricked into solving optimization problems.
  • Mixed Integer Programming that can be used to solve optimization problems expressible by integer and fractional variables and linear constraints.

A trained algorithm engineer or operations researcher is actually able to model most combinatorial optimization problems with one of these techniques, even if they contain complex constraints or objective functions. At the end of the semester, you will be able to solve many problems with these tools, too. Of course it is not just about how well a problem can be modelled but also, how effective the underlying engine can solve it; these are NP-hard problems after all.

Structure

The lab consists of four sheets and a final project.

  • In the first sheet, you will set up the programming environment and take a peek into some actual code.
  • The second sheet will have you use CP-SAT, the most generic technique.
  • The third sheet makes you use a SAT-solver, which are more rudimentary but can actually deal with much more variables than CP-SAT.
  • The fourth sheet then makes you use a Mixed Integer Programming solver, which are especially powerful, e.g., for network problems.

In a final project, your team has to get creative and develop a solver for an NP-hard optimization problem of your choice. We will help you select one.

The content may still change. Do not expect the identical content of previous semesters.

Literatur/Links
  • Gurobi (kommerziell, kostenlos für Studenten)
  • Google OR-Tools (or our CP-SAT Primer)
  • PySAT

aktualisiert am 26.10.2023, 16:33 von Dr. Dominik Krupke

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