Polyhedral CombinatoricsPolyedrische Kombinatorik

In this course we will consider modern techniques and recent results regarding polyhedra from combinatorial optimization. In the lecture we will introduce basic concepts, present main results and analyze their proofs. In the exercise part the these techniques will be applied to smaller problems and the overall material will be consolidated. In der Veranstaltung werden moderne Techniken und Resultate zu Polyedern aus der Kombinatorischen Optimierung behandelt. Die Vorlesung dient der Einführung der Grundbegriffe, Präsentation wichtiger Resultate und der gemeinsamen Analyse der Beweise. In der Übung werden der Stoff gefestigt und die erlernten Techniken an kleineren Beispielen geübt.

Agenda

RelaxationsRelaxierungen

We first consider techniques for comparing the strength of linear relaxations and the strength of adding families of cutting planes, respectively. In the second part we present negative results regarding the (often exponential) number of inequalities that are required for such a relaxation. Zunächst betrachten wir Techniken zum Vergleich der Stärke von linearen Relaxierungen, bzw. der Stärke von zusätzlichen Schnittebenenklassen und wenden diese exemplarisch an. Im zweiten Teil geht es um Negativresultate zur (oft exponentiellen) Anzahl der für eine Relaxierung im Originalraum benötigten Ungleichungen.

MatroidsMatroide

After introducing the combinatorial object of a matroid and investigating basic structural properties we will discuss the Greedy algorithm for solving the underlying optimization problem. The algorithm allows us to derive polyhedral results on the associated integer hulls, the so-called matroid polytopes. We furthermore show that even the intersection of two such matroid polytopes is integeral (Matroid Intersection Theorem) and how matroids help to show that optimization over submodular functions can be done in polynomial time. Nach der Einführung in die kombinatorische Stuktur der Matroide und Betrachtung einfacher Strukturresultate wenden wir uns dem Lösungsalgorithmus (Greedy) zu. Dessen Funktionsweise liefert uns polyedrische Resultate zu den assoziierten ganzzahligen Hüllen, der Matroidpolytope. Weiterhin zeigen wir, dass sogar der Schnitt zweiter solcher Matroidpolytope ganzzahlig ist (Matroid Intersection) und wie Matroide uns helfen, dass man über submodularen Funktionen in Polynomialzeit optimieren kann.

Extended FormulationsErweiterte Formulierungen

Here we investigate the phenomenon that a description of a polyhedron may require fewer linear inequalities if one allows to write it as a projection of a higher dimensional polyhedron (an extended formulation). We will discuss several examples and construction techniques for such extended formulations as well as a technique for proving bounds on the possible savings of this phenomenon. We use the latter to show that a description of the cut polytope (associated with the maximum cut problem) requires an exponential number of inequalities, regardless of projections. Hier betrachten wir das Phänomen, dass bei der Beschreibung eines Polyeders Ungleichungen eingespart werden können, indem man es als Projektion eines höherdimensionalen Polyeders (als Erweiterte Formulierung) beschreibt. Es werden diverse Beispiele und Konstruktionstechniken für Erweiterte Formulierungen sowie eine Technik gezeigt, mit deren Hilfe man die Grenzen dieses Phänomens ausloten kann. Damit zeigen wir, dass das man zur Beschreibung des Cut-Polytops (das mit dem Max-Cut-Problem assoziiert ist) trotz Nutzung von Projektionen exponentiell viele Ungleichungen benötigt.

Equivalences for 0/1-PolytopesÄquivalenzen bei 0/1-Polytopen

We will show that the following problems are equivalent for 0/1-polytopes: Wir zeigen, dass folgende Probleme für 0/1-Polytope äquivalent sind:

  • Finding an optimum solution Das Finden einer Optimallösung
  • Finding an augmenting solution (with respect to a given one) Das Finden einer besseren Lösung (für eine gegebene Lösung)
  • Solving the separation problem Das Lösen des Separationsproblems
  • Solving the primal separation problem Das Lösen des primalen Separationsproblems

To show this we will analyze the proof of the central result on the equivalence of optimization and separation. Hierzu wird unter anderem das zentrale Resultat zur Äquivalenz von Optimieren und Separieren gezeigt.