+ All Categories
Home > Documents > Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski:...

Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski:...

Date post: 06-Feb-2018
Category:
Upload: lequynh
View: 234 times
Download: 5 times
Share this document with a friend
6
KoG 15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI Lokacija objekata u ravnini * Location of Objects in a Plane ABSTRACT In the paper we consider a direct and the inverse location problem in the plane. Thereby we use different distance- like functions with appropriate illustrations. Several exam- ples from various areas of applications are given. Key words: data clustering, location problem, k-means, k-median, optimization MSC 2010: 62H30, 68T10, 90C26, 90C27, 91C20, 47N10 Lokacija objekata u ravnini SAŽETAK U radu razmatramo izravni i obratni problem lokacije objekata u ravnini uz korištenje različitih kvazimetričkih funkcija s odgovarajućim ilustracijama. Dano je nekoliko primjera iz različitih područja primjena. Ključne riječi: grupiranje podataka, klasteri, problem lokacije, k-sredina, k-median, optimizacija 1 Uvod U radu razmatramo sljedeći problem lokacije: Uz pret- postavku da su poznate lokacije objekata c 1 ,...,c k u ravnini, dani skup točaka S = {a i =(x i ,y i ): i = 1,...,m},(m k) treba grupirati (razdijeliti) na k nepraznih disjunktnih skupova (klastera) π 1 ,...,π k , tako da j -tom klasteru π j pripadnu one točke koje su u nekom smislu najbliže j -tom centru c j . Al- ternativno, ovaj problem mogao bi se postaviti i na drugi način. Uz pretpostavku da je poznata particija Π= {π 1 ,...,π k } sastavljena od nepraznih disjunktnih podskupova (klastera) zadanog skupa S R 2 , treba odrediti centre c 1 ,...,c k R 2 klastera π 1 ,...,π k . Odgovarajući obratni problem bio bi traženje opti- malne lokacije centara c 1 ,...,c k R 2 , na osnovi kojih bi mogli definirati i odgovarajuće optimalne klastere π 1 ,...,π k . Broj svih particija m-članog skupa S sastavljenih od nepraznih disjunktnih skupova π 1 ,...,π k jednak je Stirlingovom broju druge vrste m k (vidi [10], str. 257 ili [22]), gdje je m k = 1 k! k j=1 (-1) k-j k j j m , koji u praktičnim primjenama može biti izuzetno ve- lik (vidi [17]). Problem traženja optimalne particije spada u NP-teške probleme (vidi [7]) nekonveksne optimizacije općenito nediferencijabilne funkcije više varijabli, koja najčešće posjeduje značajan broj sta- cionarnih točaka. Postoji opsežna recentna literatura iz ovog područja s različitim i brojnim primjenama, a može se pro- naći pod nazivom problem k-sredina ili problem k- medijana 1 [11, 12, 16–18]. Tako se mogu pronaći brojne primjene u poljoprivredi (primjerice, razvrsta- vanje oranica prema plodnosti zemljišta), biologiji (primjerice, klasifikacija kukaca u grupe), genetici, medicini, prometu, kod biranja lokacije građevinskih objekata, kod razumijevanja klimatskih kretanja, u upravljanju (primjerice, rangiranje gradova i općina za potrebe financijske podrške), u poslovanju, u društvenim i humanističkim znanostima itd. Nave- dimo nekoliko konkretnih primjera: Primjer 1. (Primjena u potresnom inženjerstvu) Metode grupiranja podataka često se koriste u ra- zličitim inženjerskim primjenama. Navedimo jednu primjenu u za život važnom potresnom inženjerstvu. Na osnovi seizmoloških podataka iz prethodnog raz- doblja klasterskom analizom moguće je procijeniti mjesta nepouzdana za lokaciju građevinskih objekata. U radu [21] prikazana je primjena klasterske analize u procjenjivanju oštećenja cjevovoda (voda, nafta, plin) i prepoznavanju područja nastajanja visokih oštećenja na njima. Ta mjesta uglavnom su problematična po- dručja (seizmički kritična) i visoko rizična u nastaja nju nedostataka i kvarova na cjevovodima. Razumi- jevanje razloga nastajanja oštećenja na tim mjestima može poboljšati prevenciju i ublažavanje oštećenja cjevovoda. * Rad je napisan uz potporu Ministarstva znanosti, tehnologije i športa Republike Hrvatske u okviru projekta 235-2352818-1034. 1 engl. k-means problem, k-median problem 57
Transcript
Page 1: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

Stručni rad

Prihvaćeno 13. 04. 2011.

KRISTIAN SABOSANJA SCITOVSKI

Lokacija objekata u ravnini∗

Location of Objects in a Plane

ABSTRACT

In the paper we consider a direct and the inverse location

problem in the plane. Thereby we use different distance-

like functions with appropriate illustrations. Several exam-

ples from various areas of applications are given.

Key words: data clustering, location problem, k-means,

k-median, optimization

MSC 2010: 62H30, 68T10, 90C26, 90C27, 91C20, 47N10

Lokacija objekata u ravnini

SAŽETAK

U radu razmatramo izravni i obratni problem lokacije

objekata u ravnini uz korištenje različitih kvazimetričkih

funkcija s odgovarajućim ilustracijama. Dano je nekoliko

primjera iz različitih područja primjena.

Ključne riječi: grupiranje podataka, klasteri, problem

lokacije, k-sredina, k-median, optimizacija

1 Uvod

U radu razmatramo sljedeći problem lokacije: Uz pret-postavku da su poznate lokacije objekata c1, . . . , cku ravnini, dani skup točaka S = ai = (xi,yi) : i =1, . . . ,m, (m k) treba grupirati (razdijeliti) na knepraznih disjunktnih skupova (klastera) π1, . . . ,πk,tako da j-tom klasteru πj pripadnu one točke kojesu u nekom smislu najbliže j-tom centru cj . Al-ternativno, ovaj problem mogao bi se postaviti i nadrugi način. Uz pretpostavku da je poznata particijaΠ = π1, . . . ,πk sastavljena od nepraznih disjunktnihpodskupova (klastera) zadanog skupa S ⊂ R

2, trebaodrediti centre c1, . . . , ck ∈ R

2 klastera π1, . . . ,πk.

Odgovarajući obratni problem bio bi traženje opti-malne lokacije centara c1, . . . , c

k ∈R

2, na osnovi kojihbi mogli definirati i odgovarajuće optimalne klastereπ1 , . . . ,π

k.

Broj svih particija m-članog skupa S sastavljenih odnepraznih disjunktnih skupova π1, . . . ,πk jednak jeStirlingovom broju druge vrste

mk

(vidi [10], str. 257ili [22]), gdje je

m

k

=1k!

k∑

j=1

(−1)k−j(

k

j

)

jm,

koji u praktičnim primjenama može biti izuzetno ve-lik (vidi [17]). Problem traženja optimalne particijespada u NP-teške probleme (vidi [7]) nekonveksneoptimizacije općenito nediferencijabilne funkcije viševarijabli, koja najčešće posjeduje značajan broj sta-cionarnih točaka.

Postoji opsežna recentna literatura iz ovog područjas različitim i brojnim primjenama, a može se pro-naći pod nazivom problem k-sredina ili problem k-medijana1 [11, 12, 16–18]. Tako se mogu pronaćibrojne primjene u poljoprivredi (primjerice, razvrsta-vanje oranica prema plodnosti zemljišta), biologiji(primjerice, klasifikacija kukaca u grupe), genetici,medicini, prometu, kod biranja lokacije građevinskihobjekata, kod razumijevanja klimatskih kretanja, uupravljanju (primjerice, rangiranje gradova i općinaza potrebe financijske podrške), u poslovanju, udruštvenim i humanističkim znanostima itd. Nave-dimo nekoliko konkretnih primjera:

Primjer 1. (Primjena u potresnom inženjerstvu)

Metode grupiranja podataka često se koriste u ra-zličitim inženjerskim primjenama. Navedimo jednuprimjenu u za život važnom potresnom inženjerstvu.Na osnovi seizmoloških podataka iz prethodnog raz-doblja klasterskom analizom moguće je procijenitimjesta nepouzdana za lokaciju građevinskih objekata.U radu [21] prikazana je primjena klasterske analize uprocjenjivanju oštećenja cjevovoda (voda, nafta, plin)i prepoznavanju područja nastajanja visokih oštećenjana njima. Ta mjesta uglavnom su problematična po-dručja (seizmički kritična) i visoko rizična u nastajanju nedostataka i kvarova na cjevovodima. Razumi-jevanje razloga nastajanja oštećenja na tim mjestimamože poboljšati prevenciju i ublažavanje oštećenjacjevovoda.

∗ Rad je napisan uz potporu Ministarstva znanosti, tehnologije i

športa Republike Hrvatske u okviru projekta 235-2352818-1034.

1engl. k-means problem, k-median problem

57

Page 2: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

Primjer 2. (Pretraživanje teksta)

Postoji opsežna literatura o primjeni klasterske ana-lize kod pretraživanja teksta (vidi primjerice [7, 14]),pri čemu uzorak od jedne ili više riječi treba pronaći unekom dokumentu. U ovom slučaju općenito se radi oizuzetno velikim skupovima podataka visoke dimenzije,a rezultat pretrage očekuje se u realnom vremenu.

Primjer 3.

(Detekcija opasnih mjesta u prometu)

U doktorskoj dizertaciji [11] navodi se primjer primje-ne klasterske analize kod detekcije opasnih mjesta naautocesti “New Jersey Turnpike”. Na osnovi podatakao mjestima i vrsti prometnih nezgoda detektiraju sekritične lokacije.

Primjer 4. (Definiranje izbornih jedinica)

Pretpostavimo da su poznati podaci (ai,wi), i= 1, . . . ,no lokacijama naselja ai s brojem glasača wi. Trebaodrediti izborne jedinice π1, . . . ,πk, tako da za svakuizbornu jedinicu πj vrijedi

(i) (1−p)mk ≤ |πj | ≤ (1 +p)mk ,

(ii) d(cj ,ai)≤ r, ∀ai ∈ πj ,

gdje su c1, . . . , ck centri izbornih jedinica, m =∑ni=1wi, a p > 0 i r > 0 su zadani brojevi. Uvjet (i)

osigurava ravnomjernost broja glasača po izbornim je-dinicama do na p%, a uvjet (ii) definira maksimalnuudaljenost centra cj izborne jedinice πj do naselja utoj izbornoj jedinici.

Primjer 5.

Promatramo skup korisnika koje na neki način trebapovezati s još neizgrađenim objektima kao što su prim-jerice željezničke stanice, sportski kompleksi, knjižni-ce, antene ili supermarketi. Ovdje se prirodno po-javljuje problem određivanja optimalne lokacije obje-kata, tako da objekti u nekom smislu budu što bližekorisnicima. Osim toga dodatno možemo zahtijevatida troškovi povezivanja budu primjereno raspodijeljenina sve korisnike te isto tako da prihodi koje ostvarujuobjekti budu primjereno rasopodijeljeni na sve objektei na taj način svi korisnici kao i objekti budu zado-voljni. U tom slučaju navedeni optimizacijski pro-blem može se promatrati kao specijalni oblik problemalokacije, koji je u engleskom govornom području po-znat pod nazivom “facility location games” (vidi pri-mjerice [3, 9]).

2 Izravni problem lokacije

Funkciju d : R2×R

2 → R+, koja ima barem svojstvopozitivne definitnosti

d(x,y)≥ 0 & d(x,y) = 0⇔ x= y,

i pomoću koje se lako računa centar c svakogdiskretnog skupa π ⊂ R

2

c= argminz∈conv(π)

a∈π

d(z,a), (1)

zovemo kvazimetrička funkcija2 (vidi primjerice [13,20]). Najpoznatija kvazimetrička funkcija je tzv.kvazimetrička funkcija najmanjih kvadrata dLS(a,b) =‖a− b‖22, a,b ∈ R

2, koja osim svojstva pozitivne defi-nitnosti ima i svojstvo simetričnosti, ali ne zadovo-ljava nejednakosti trokuta. Centar c diskretnog skupaπ⊂R

2 u ovom slučaju je centroid c= 1|π|

a∈πa (u fizici

i mehanici težište ili Steinerova točka) skupa π.

Za dani skup točaka S = ai = (xi,yi) ∈ R2 : i =

1, . . . ,m⊂R2 izravni problem lokacije možemo defini-

rati na dva načina:

A: Ako su poznati centri c1, . . . , ck ∈ R2 (k m),

treba odrediti particiju skupa S sastavljenu odnepraznih disjunktnih skupova π1, . . . ,πk, takoda bude

ai ∈ πj ⇔ d(cj ,ai)≤ d(cs,ai),

∀s= 1, . . . ,k; (2)

B: Ako je poznata particija Π = π1, . . . ,πk skupaS sastavljena od nepraznih disjunktnih skupova,treba odrediti centre c1, . . . , ck ∈ R

2, (k m)klastera prema (1).

Primjerice ako su u Primjeru 4 poznati centri c1, . . . , ckizbornih jedinica, a treba definirati izborne jediniceπ1, . . . ,πk, radi se o rješavanju izravnog problema A.Korištenjem različitih kvazimetričkh funkcija dobi-vaju se razni principi – kriteriji grupiranja. Osimspomenute kvazimetričke funkcije najmanjih kvadratadLS , u literaturi [2, 4, 7, 11, 13, 15, 17] često se koristi

2Oznaka v = argminu∈D

f(u) znači da funkcija f u točki v ∈D postiže svoju najmanju vrijednost na skupu D

58

Page 3: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

(i) d1(a,b) = ‖a− b‖1 = |x1−x2|+ |y1− y2|,

a= (x1,y1), b= (x2,y2)

(Manhattan ili taxicab udaljenost)

(ii) d∞(a,b) = ‖a− b‖∞ = max|x1−x2|, |y1− y2|,

a= (x1,y1), b= (x2,y2)

(Čebiševljeva udaljenost)

(iii) dB(a,b) = x1 lnx1

x2+ y1 ln

y1

y2−x1− y1 +x2 + y2,

a= (x1,y1), b= (x2,y2)

(Bregmanova generalizirana I-udaljenost

ili Kullbach-Leiblerova udaljenost).

Spomenimo da kvazimetričke funkcije d1 i d∞ zado-voljavaju još dodatno svojstva simetričnosti i ne-jednakosti trokuta te su zbog toga prave metričkefunkcije, za razliku od Bregmanove generalizirane I-udaljenosti dB za koju se lako vidi da ne zado-voljava niti jedno od spomenutih svojstava metrike.Navedena Bregmanova generalizirana I-udaljenosti dBsamo je jedna iz klase kvazimetričkih funkcija kojesu u literaturi poznate kao Bregmanove udaljenosti.Važno svojstvo Bregmanovih udaljenosti je lako raču-nanje centra diskretnog skupa u smislu formule (1),a za mnoge ovakve kvazimetričke funkcije za centardiskretnog skupa mogu se dobiti i eksplicitne formule(vidi [13]). U literaturi postoji veliki broj različitihprimjena klasterske analize koje se zasnivaju na ko-rištenju Bregmanovih udaljenosti kao što su primjericeteorija informacija, klasifikacija teksta, obrada signa-la, analiza govora itd. Više o tome se može naći u[1].

2.1 Izravni problem lokacije uz dLSkvazimetričku funkciju

Za dani skup točaka S ⊂ R2 potražit ćemo rješenje

izravnog problema lokacije A i izravnog problema Buz korištenje dLS kvazimetričke funkcije. Ako su po-znati centri c1, . . . , ck ∈ R

2, particiju Π = π1, . . . ,πkodređujemo principom minimalnih udaljenosti takoda bude (vidi [7, 13, 17, 19])

ai ∈ πj ⇔ ‖cj−ai‖2 ≤ ‖cs−ai‖2, ∀s= 1, . . . ,k. (3)

Za k = 2 ovaj problem (vidi [19]) svodi se na određi-vanje simetrale dužine c1c2, a može se eksplicitno ri-ješiti kao što je prikazano na Slici 1.

a) m= 10000, k = 2

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

b) m= 10000, k = 5

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

Slika 1: Grupiranje skupa S u klastere

Pokazuje se da u općem slučaju ovaj problem vodina konstrukciju Voronoijevih dijagrama (vidi [7, 13,15, 17]). O konstrukciji Voronoijevih dijagrama viditakođer [8]. Na Slici 1 ovaj problem ilustriran je pri-mjenom vlastitog Mathematica–modula zam= 10000podataka u ravnini i k = 2, odnosno k = 5 centara.

Ako je poznata particija Π = π1, . . . ,πk skupa S =ai = (xi,yi) ∈ R

2 : i= 1, . . . ,m ⊂ R2, centre klastera

c1, . . . , ck dobivamo na sljedeći način (vidi [17])

cj = argminz∈conv(πj)

a∈πj

‖z−a‖22 =

1|πj|

ai∈πj

xi,1|πj |

ai∈πj

yi

. (4)

2.2 Izravni problem lokacije uz d1 metričkufunkciju

Za dani skup točaka S ⊂ R2 potražit ćemo rješenje

izravnog problema lokacije A i izravnog problema B uzkorištenje d1 metričke funkcije. Ako su poznati centric1, . . . , ck ∈ R

2, particiju Π = π1, . . . ,πk određujemoprincipom minimalnih udaljenosti tako da bude

ai ∈ πj ⇔ ‖cj−ai‖1 ≤ ‖cs−ai‖1, ∀s= 1, . . . ,k. (5)

Na Slici 2 ovaj problem ilustriran je primjenom vlasti-tog Mathematica–modula za m = 10000 podataka uravnini i k = 2, odnosno k = 5 centara.

a) m= 10000, k = 2

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

b) m= 10000, k = 5

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

Slika 2: Grupiranje skupa S u klastere

59

Page 4: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

Ako je poznata particija Π = π1, . . . ,πk skupa S =ai = (xi,yi) ∈ R

2 : i= 1, . . . ,m ⊂ R2, centre klastera

c1, . . . , ck dobivamo na sljedeći način (vidi [17])

cj = argminz∈conv(πj)

ai∈πj

‖z−a‖1 =

(

medai∈πj

xi, medai∈πj

yi

)

, (6)

gdje je medai∈πj

xi oznaka za medijan niza kojeg čine

apscise svih točaka iz klastera πj .

2.3 Izravni problem lokacije uz d∞ metričkufunkciju

Za dani skup točaka S ⊂ R2 potražit ćemo rješenje

izravnog problema lokacije A i izravnog problema B uzkorištenje d∞ metričke funkcije. Ako su poznati centric1, . . . , ck ∈ R

2, particiju Π = π1, . . . ,πk određujemoprincipom minimalnih udaljenosti tako da bude

ai ∈ πj ⇔ ‖cj−ai‖∞ ≤ ‖cs−ai‖∞,

∀s= 1, . . . ,k. (7)

Na Slici 3 ovaj problem ilustriran je primjenom vlasti-tog Mathematica–modula za m = 10000 podataka uravnini i k = 2, odnosno k = 5 centara.

a) m= 10000, k = 2

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

b) m= 10000, k = 5

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

Slika 3: Grupiranje skupa S u klastere

Ako je poznata particija Π = π1, . . . ,πk skupa S =ai = (xi,yi) ∈ R

2 : i= 1, . . . ,m ⊂ R2, centre klastera

c1, . . . , ck dobivamo na sljedeći način

cj = argminz∈conv(πj)

a∈πj

‖z−a‖∞. (8)

2.4 Izravni problem lokacije uz Bregmanovugeneraliziranu I-udaljenost

Za dani skup točaka S ⊂ R2 potražit ćemo rješenje

izravnog problema lokacije A i izravnog problemaB uz korištenje kvazimetričke funkcije dB koja je u

literaturi poznata kao Bregmanova generalizirana I-udaljenost. Ako su poznati centri c1, . . . , ck ∈R

2, par-ticiju Π = π1, . . . ,πk određujemo principom mini-malnih udaljenosti tako da bude

ai ∈ πj ⇔ dB(cj ,ai)≤ dB(cs,ai), ∀s= 1, . . . ,k. (9)

Na Slici 4 ovaj problem ilustriran je primjenom vlasti-tog Mathematica–modula za m = 10000 podataka uravnini i k = 2, odnosno k = 5 centara. Primijetimoda su rubovi dobivenih disjunktnih skupova krivulje.

a) m= 10000, k = 2

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

b) m= 10000, k = 5

2 4 6 8 10

2

4

6

8

10

Slika 4: Grupiranje skupa S u klastere

Ako je poznata particija Π = π1, . . . ,πk skupa S =ai = (xi,yi) ∈ R

2 : i= 1, . . . ,m ⊂ R2, centre klastera

c1, . . . , ck dobivamo primjenom geometrijske sredinena podatke iz klastera

cj = argminz∈conv(πj)

a∈πj

dB(z,a) =

ai∈πj

xi

1/|πj|

,

ai∈πj

yi

1/|πj |

. (10)

2.5 Mathematica–modul

Sve prikazane ilustracije izrađene su vlastitimMathematica–modulom Particija[a, c, d]. Moduluse predaje lista podataka a, lista centara c i ranijedefinirana kvazimetrička funkcija d. Za svaki ele-ment a[[i]] liste a modul pronalazi najbliži cen-tar c[[j]], a nakon toga element a[[i]] pridružujeklasteru pi[[j]]. Elementi svakog klastera prikazujuse točkicama jedne boje. Centri klastera označeni sucrnim točkama.In[1]:= Particija[a_, c_, d_] :=

Module[m=Length[a], k=Length[c], pi,tab,min,imin,

slc=ListPlot[c,

PlotStyle -> Black, AbsolutePointSize[5]];

(* separacija *)

pi = Table[, j, k];

Do[

tab = Table[d[c[[j]], a[[i]]], j, k];

min = Min[tab];

imin = Position[tab, min][[1]];

60

Page 5: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

Do[

If[imin==j, pi[[j]]=Append[pi[[j]], a[[i]]]],

j, k],

i, m];

(* crtanje *)

tab = Table[

ListPlot[pi[[j]],

PlotStyle->Opacity[.5], Hue[.13 j^2]],

j, k];

Show[tab,slc, AspectRatio->Automatic, ImageSize->200]

]

Lista podataka a treba biti sastavljena od objekataoblika x,y. To znači da podaci mogu dolaziti izproizvoljno odabranog područja Ω ⊂ R

2. Primjerice,naredbom

RandomReal[10, 10000, 2]

definira se 10000 uniformno distribuiranih slučajnihtočaka iz kvadrata [0,10]× [0,10]. Lista centara c oda-bire se po volji. Kvazimetrička funkcija d definira sekao funkcija dviju varijabli. Primjerice, kvazimetričkafunkcija najmanjih kvadrata dLS definira se naredbom

d[x_, y_] := Norm[x - y, 2]^2

a metrička funkcija d1 naredbom

d[x_, y_] := Norm[x - y, 1]

Podatke, kvazimetričku funkciju i poziv modula, pri-mjerice za slučaj prikazan na Slici 2b, možemo imple-mentirati na sljedeći način.In[2]:= SeedRandom[3]

a = RandomReal[10, 10000, 2];

c = 5,4, 6,3, 8,6, 2,4, 3,8;

d[x_, y_] := Norm[x - y, 1]

Particija[a, c, d]

Pri tome naredba SeedRandom[3] osigurava da ćemosvakim pokretanjem programa dobiti iste slučajnebrojeve. Izvođenje programa za navedene primjeretraje 1−2 sekunde.

3 Obratni problem lokacije

Zadan je skup točaka S = ai = (xi,yi) ∈ R2 : i =

1, . . . ,m ⊂R2 u ravnini i neka kvazimetrička funkcija

d : R2 ×R

2 → R+. Treba pronaći optimalne centrec1, . . . , c

k ∈R

2 tako da bude

F (c1, . . . , ck) = min

c1,...,ck∈conv(S)F (c1, . . . , ck), (11)

gdje je F : R2k→ R

F (c1, . . . , ck) =m∑

i=1

min1≤j≤k

d(cj ,ai). (12)

Poznavajući centre c1, . . . , ck principom minimalnih

udaljenosti moguće je definirati optimalnu particijuΠ = π1 , . . . ,π

k (problem A u t.2 ). Primjerice

problem određivanja optimalnih izbornih jedinica izPrimjera 4 jedan je obrnuti problem lokacije, a možese definirati na sljedeći način.

F (c1, . . . , ck) =n∑

i=1

wi min1≤j≤k

d(cj ,ai) −→ min,

uz uvjete:

(i) (1−p)mk ≤ |πj | ≤ (1 +p)mk , j = 1, . . . ,k

(ii) d(cj ,ai)≤ r, ∀ai ∈ πj , ∀j = 1, . . . ,k.

Kao što smo već ranije spomenuli, ovaj problem uliteraturi se može pronaći pod nazivom problem k-sredina ili problem k-medijana, a u općem slučajuradi se o problemu traženja globalnog minimuma više-dimenzionalne nediferencijabilne funkcije (vidi [5, 6])koja može imati veći broj lokalnih minimuma (vidiprimjerice [11, 15]). O metodama za rješavanje ovogproblema može se vidjeti primjerice u [16, 18].

Najpoznatiji postupak za rješavanje ovog problema jealgoritam k-sredina (vidi [7, 11, 13, 15, 17, 19, 20]),kojim nažalost možemo pronaći lokalni minimum kri-terijske funkcije cilja. Ipak, višestrukim pokretanjemovog algoritma s različitim početnim aproksimaci-jama, možemo pronaći optimalno rješenje (vidi [15]).Niže navodimo skicu algoritma k-sredina za opći slučajkada je S ⊂ R

n.

Algoritam 1.

(Standardni algoritam k-sredina)3

Korak 1: Izabrati Π = π1, . . . ,πk;

Korak 2: Izračunati: θ = (c1, . . . , ck), pri čemu je cj =argminz∈Rn

ai∈πj

d(z,ai);

Izračunati F1 = F (θ);

Korak 3: Pomoću centara iz θ prema principu min-imalnih udaljenosti formirati novu particijuN = ν1, . . . ,νk;Izračunati nove centre: ζ = (ζ1, . . . , ζk), pričemu je ζj = argmin

z∈Rn

ai∈νj

d(z,ai);

Izračunati F2 = F (ζ);

Korak 4: Ako je F2 <F1, staviti θ= ζ; F1 = F2 i prijećina Korak 3; u suprotnom STOP.

3Odgovarajuća programska podrška dostupna je na adresi: http://www.mathos.hr/oml/software.htm

61

Page 6: Lokacija objekata u ravnini - grad.hr · PDF fileKoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini Stručni rad Prihvaćeno 13. 04. 2011. KRISTIAN SABO SANJA SCITOVSKI

KoG•15–2011 K. Sabo, S. Scitovski: Lokacija objekata u ravnini

Literatura

[1] M. R. Ackermann, J. Blömer, Coresetsand Approximate Clustering for Bregman Di-vergences, Proceedings of the 20th AnnualACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms(SODA’09), 1088-1097, Society for Industrial andApplied Mathematics (SIAM), 2009

[2] A. Banerjee, S. Merugu, I. S. Dhillon, J.Ghosh, Clustering with Bregman divergences,Journal of Machine Learning Research, 6(2005),1705–1749

[3] P. Chardaire, Facility location optimizationand cooperative games, PhD thesis, University ofEast Anglia, Norwich, UK, 1998.

[4] B. Divjak, Bilješke o taxicab geometriji, KoG5(2000), 5-9

[5] D. E. Finkel, C. T. Kelley, Additive scalingand the DIRECT algorithm, J. Glob. Optim.36(2006), 597-–608

[6] C. A. Floudas, C. E. Gounaris, A review ofrecent advances in global optimization, J. Glob.Optim. 45(2009), 3-–38

[7] G. Gan, C Ma, J. Wu, Data Clustering:Theory, Algorithms, and Applications, SIAM,Philadelphia, 2007.

[8] Ž. Gjuranić, Modeliranje terena pomoću Delau-nayjeve triangulacije, KoG 11(2007), 49-52

[9] M. X. Goemans, M. Skutella, Cooperative fa-cility location games, Journal of Algorithms50(2004) 194–214

[10] K. Graham, D. E. Knuth,O. Patashnik,Concrete Mathematics, Addi-son - Wesley, Boston, 2003.

[11] C. Iyigun, Probabilistic Distance Clustering,Dissertation, Graduate School – New Jersey, Rut-gers, 2007.

[12] C. Iyigun, A. Ben-Israel, A generalizedWeiszfeld method for the multi-facility locationproblem, Operations Research Letters 38(2010),207-214

[13] J. Kogan, Introduction to Clustering Large andHigh-Dimensional Data, Cambridge UniversityPress, 2007.

[14] J. Kogan, C. Nicholas, M. Wiacek, Hybridclustering with divergences. In: M. W. Berry andM. Castellanos (Eds.), Survey of Text Mining:Clustering, Classification, and Retrieval, SecondEdition, Springer, 2007.

[15] F. Leisch, A toolbox for K-centroids cluster anal-ysis, Computational Statistics & Data Analysis51(2006), 526-544

[16] A. M. Rodrígues-Chia, I. Espejo,Z. Drezner, On solving the planar k-centrumproblem with Euclidean distances, EuropeanJournal of Operational Research 207(2010),1169-1186

[17] K. Sabo, R. Scitovski, I. Vazler, Grupiranjepodataka: klasteri, Osječki matematički list10(2010), 149-176

[18] A. Schöbel, D. Scholz, The big cube smallcube solution method for multidimensional facil-ity location problems, Computers & OperationsResearch 37(2010), 115–122

[19] H. Späth, Cluster–Formation und- Analyse,R. Oldenburg Verlag, München, 1983.

[20] M. Teboulle, A unified continuous optimizationframework for center-based clustering methods,Journal of Machine Learning Research 8(2007),65-102

[21] S. Toprak, E. Nacaroglu, O. A. Cetin,A. C. Koc, Pipeline Damage Assessment Us-ing Cluster Analysis, TCLEE 2009: LifelineEarthquake Engineering in a Multihazard Envi-ronment, pp. 1-8, (doi 10.1061/41050(357)78)

[22] D. Veljan, Kombinatorna i diskretna matem-atika, Algoritam, Zagreb, 2001.

Kristian Sabo

Odjel za matematiku

Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku

e-mail: [email protected]

Sanja Scitovski

Risnjačka 7, Osijek

e-mail: [email protected]

Zahvala: Zahvaljujemo anonimnom recenzentu, koji je svojim primjedbama i sugestijama u znatnoj mjeripomogao da ovaj tekst bude bolji.

62


Recommended