Читать книгу "Кому нужна математика? Понятная книга о том, как устроен цифровой мир - Андрей Райгородский"

За относительно недолгий срок своего существования эта область математики достигла невероятного прогресса.

Математика, обогнавшая компьютер

Американский ученый Роберт Биксби написал целую серию статей об истории линейного программирования. В нашем рассказе мы воспользовались его статьей 2012 года{3}.

По словам Биксби, после нескольких усовершенствований симплекс-метода к 1953 году удалось решить вариант знаменитой задачи о диете с 71 переменной и 26 ограничениями.

Аппарат, на котором производились вычисления, не был компьютером в строгом смысле этого слова. Это был огромный численный прибор, программируемый с помощью перфокарт. Решение заняло 8 часов, большая часть которых ушла на то, чтобы вручную вставлять перфокарты в машину. Настойчивости и терпению ученых остается только удивляться.

Сегодня для решения задач линейного программирования на практике в основном используется коммерческое программное обеспечение. Среди самых известных пакетов – CPLEX и более недавний Gurobi.

В компьютерных технологиях действует одно эмпирическое правило, часто называемое законом Мура, согласно которому мощность процессоров удваивается каждые 18 месяцев. И хотя это не закон природы и Мур (один из основателей Intel) говорил не совсем об этом, все же данное утверждение примерно соответствует действительности.

Абсолютно очевидно, что любой алгоритм на современном компьютере будет работать гораздо быстрее, чем на давно устаревшей махине с перфокартами. Но и математика не стоит на месте. Старые алгоритмы совершенствуются, появляются новые. Как оценить роль математики в успехе коммерческих пакетов?

В 2007 году Биксби провел впечатляющий эксперимент. Он взял все версии пакета CPLEX, начиная с его первого появления в 1991 году, и опробовал их на большом количестве известных практических задач целочисленного линейного программирования. Ученые собрали внушительные коллекции таких задач. Биксби выбрал из них 1892, а затем сравнил скорость их решения, от версии к версии, на одном и том же компьютере.

Оказалось, что за 15 лет скорость решения увеличилась в 29 000 раз! Интересно, что самое большое ускорение, почти десятикратное, произошло в 1998 году, причем не случайно. До этого математики в течение 30 лет разрабатывали новые теории и методы, из которых очень мало было внедрено в практику. В 1998 году в версии CPLEX6.5 была поставлена задача реализовать по максимуму все эти идеи. В результате наши возможности в линейном программировании вышли на качественно новый уровень.

Процесс продолжается. Gurobi появился в 2009 году и к 2012-му ускорился в 16,2 раза. А общий эффект в 1991–2012 годах – в 29000×16,2 раз! Повторим, что это произошло независимо от скорости компьютера, иными словами, исключительно благодаря развитию математических идей.

Если верить закону Мура, то за 1992–2012 годы компьютеры ускорились примерно в 8000 раз. Сравните с почти полумиллионным ускорением алгоритмов! Получается, что если вам нужно решить задачу линейного программирования, то лучше использовать старый компьютер и современные методы, чем наоборот, новейший компьютер и методы начала 1990-х.

Мы не устаем восхищаться прогрессом компьютерных технологий. При этом математика достигла гораздо большего прогресса, и никто даже не заметил! Многогранники, плоскости, двойственные задачи и разветвления зашиты в программных пакетах и решают задачи планирования, как будто так было всегда и в этом нет ничего особенного.

Конечно, самое поразительное – совместный эффект математики и компьютеров. Ускорение в 4 миллиарда раз. Задачи, на которые требовалось 126 лет в 1991 году, в 2012-м мы научились решать за одну секунду! И это не предел. В статье 2015 года Димитрис Бертсимас и Анжела Кинг из Массачусетского технологического института приводят новую цифру – 450 миллиардов – и предлагают новые приложения линейного программирования в статистике.

При столь невероятной эффективности для линейного программирования открываются новые горизонты, немыслимые ранее, но вполне реальные сегодня.

Расписание движения поездов на голландских железных дорогах

Самая престижная награда в исследовании операций – премия Франца Эдельмана за выдающиеся успехи науки в приложениях. В 2008 году ее получили Железные дороги Нидерландов за новое железнодорожное расписание, которое начало действовать в 2006 году.

Нидерланды – маленькая, но густонаселенная страна. На территории размером примерно с Нижегородскую область проживает около 17 миллионов человек. Железные дороги – основа всей голландской логистики. Многие каждый день ездят на поезде на работу. Совещание в другом конце страны – обычное дело. Голландцы – чемпионы Европы по пассажирским железнодорожным перевозкам. В 2006 году Железные дороги Нидерландов перевезли 15,8 миллиарда пассажиров.

До 2006 года действовало расписание, составленное в 1970 году. Перевозки увеличивались, составы постепенно удлинялись, а где возможно, добавлялись новые поезда. Пока наконец к началу 2000-х увеличивать перевозки в рамках старого расписания стало невозможно. Прокладывать новые пути фактически тоже невозможно из-за их безумной дороговизны, да и просто нехватки земли. Железнодорожные пути в Нидерландах строились и расширялись очень мало еще со времен Второй мировой войны. Задача, которая встала перед менеджментом железных дорог, – обеспечить требуемый объем перевозок при имеющейся инфраструктуре. Как это сделать? В 2002 году было решено составить новое расписание.

Расписание железных дорог – дело очень сложное. Нужно, чтобы два поезда одновременно не претендовали на один и тот же участок рельсов. Маршруты с пересадками тоже должны быть удобными, без получасового ожидания на платформе. Кроме того, нужно распределить пути прибытия и отправления на каждой станции, определить количество и тип вагонов для каждого состава, составить расписание кондукторов и машинистов. И все это для 5500 поездов в день!

Над задачей работала целая команда математиков. Основные сложности и идеи они описали в статье{4}, за которую им была присуждена премия Эдельмана.

Каждый этап составления расписания требовал новой модели и новых подходов. Некоторые задачи, например распределение путей прибытия и отправления, после нескольких шагов предварительной подготовки удалось решить с помощью пакета CPLEX. Задача расписания движения поездов упрощалась благодаря цикличности: поезда отправляются в одно и то же время каждый час. Но даже в этом случае коммерческие пакеты оказались бессильны. Справиться с задачей помогли новые математические идеи. Внедрение не сразу прошло гладко. И все же теперь больше поездов перевозит больше людей по тем же рельсам. Пассажиропоток увеличивается, но расписание по-прежнему справляется. В рамках старого расписания это было бы невозможно.