Kameras an Kreuzungen: Greedy ist nicht immer optimal

Fassung:

Kameras an Kreuzungen

In einem Park sollen Kameras an Kreuzungen (Knoten) so aufgestellt werden, dass jeder Weg (Kante) von mindestens einer Kamera an einem seiner Enden überwacht wird. Eine Aufstellung, die jeden Weg überwacht, ist eine zulässige Lösung. Kameras sind teuer – optimal ist eine zulässige Aufstellung mit möglichst wenigen Kameras.

Kleine Parks untersuchen

Bevor man ein Verfahren sucht, lohnt es sich, ein paar sehr kleine Instanzen von Hand zu lösen. Dabei fallen oft Eigenschaften des Problems auf, die zu einer Lösungsidee führen.

ABCD
Park 1
MABCD
Park 2
ABC
Park 3
Lückentext
Aufgabe 1: Wie viele Kameras braucht man mindestens? Park 1: , Park 2: , Park 3: .
Multiple Choice

Aufgabe 2: An einer Kreuzung endet nur ein einziger Weg (wie bei A in Park 1). Wohin stellst du die Kamera für diesen Weg?

Merke: kleine Instanzen untersuchen

An kleinen Instanzen erkennt man Eigenschaften eines Problems und entwickelt erste Lösungsideen. Hier: Eine Kamera am anderen Ende eines Endweges überwacht denselben Weg und vielleicht noch weitere – sie ist nie schlechter. Beim Dreieck gibt es aber keine Endkreuzung, dort hilft diese Idee nicht weiter.

Die Greedy-Idee

Eine andere Idee für beliebige Parks: Stelle die nächste Kamera immer dort auf, wo die meisten noch unbewachten Wege zusammenkommen. Wiederhole das, bis alle Wege überwacht sind.

Kameras nach der Greedy-Idee
Aufgabe 3: Stelle die Kameras nach der Greedy-Idee auf. Klicke die Kreuzungen in der Reihenfolge an, in der Greedy sie wählt.
XY1Z1Y2Z2Y3Z3

Möglichst wenige Kameras
Aufgabe 4: Geht es mit weniger Kameras? Finde eine Aufstellung mit möglichst wenigen Kameras.
XY1Z1Y2Z2Y3Z3

Freitext

Aufgabe 5: Was zeigt der Vergleich von Aufgabe 3 und 4 über Greedy-Algorithmen?

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Merke: optimale und gefundene Lösung

Die optimale Lösung ist die beste zulässige Lösung, die es gibt. Ein Verfahren liefert eine gefundene Lösung. Die Greedy-Idee findet immer eine zulässige Lösung (alle Wege sind überwacht) – sie ist aber nicht immer optimal.

Ein Verfahren, das schnell eine meist gute, aber nicht garantiert optimale Lösung findet, heißt Heuristik. Die Greedy-Idee für die Kameras ist eine Heuristik.

Für das Aufstellen der Kameras kennt bis heute niemand ein schnelles Verfahren, das immer die optimale Lösung findet – vermutlich gibt es keins. Solche Probleme sind auch für Computer „schwer“: Man hat nur die Wahl zwischen Brute Force (optimal, aber bei großen Instanzen viel zu langsam) und Heuristiken (schnell, aber nicht immer optimal). Kürzeste Wege und Spannbäume dagegen sind „leicht“.

Multiple Choice

Aufgabe 6: Welche Aussage über Heuristiken stimmt?

✏️ Übungen zu diesem Kapitel

5 freiwillige Aufgaben zum Üben und Weiterdenken.

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