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2013 Fiscal Year Research-status Report

幾何図形の列挙に関する研究

Research Project

Project/Area Number 24500008
Research InstitutionSaitama University

Principal Investigator

堀山 貴史  埼玉大学, 情報メディア基盤センター, 准教授 (60314530)

Keywordsアルゴリズム / 列挙アルゴリズム / 展開図 / 多面体 / 計算幾何学
Research Abstract

列挙アルゴリズムは、与えられた制約条件を満たす解を一つだけではなく、すべて求めるための技術である。本研究では、逆探索や BDD (二分決定グラフ), ZDD (零抑制二分決定グラフ) といった列挙の要素技術を統合し、幾何図形の列挙アルゴリズムを設計する。本
年度は、中心的な研究テーマとして、(1) 多面体の展開図の数え上げ、(2) 幾何図形の列挙アルゴリズムの他分野への応用に取り組んだ。
多面体の展開図の列挙において、これまで、(1) 辺にラベルが付いているとしてその切り開き方を示した辺ラベル付き展開図を求める、(2) 同型な展開図を排除して本質的に異なる展開図のみを求める、の2ステップの手順をとってきた。具体的には、正多面体の展開図の列挙において、(1) 展開図になるための制約条件 (開切辺は頂点数-1 本、また開切辺がサイクルを持たない) を BDD/ZDD で表す、(2) 同型性の制約条件 (同型な置換による辺ラベルの入れ換え) を BDD/ZDD で表して (1) の BDD/ZDD と結合、との手法を用いてきた。しかし、多面体によっては、途中段階でノード爆発を起こしてメモリが足らなくなる事がある。これに対処するため、個々の展開図を列挙することなく、同型なものを除去した展開図の個数を求めるアルゴリズムを開発した。この手法では、まず多面体の持つ対称性をすべて列挙し、それぞれの対称性ごとに頂点の軌道が描く quotient graph を解析する。軌道の位数と、quotient graph のラベル付き全域木の個数をもとに、その対称性のもとで相異なる展開図の個数を求め、その総計から同型な展開図を除去した展開図の個数を得る。
幾何図形の列挙アルゴリズムの設計で得られた知見を、他分野の問題解決に活かす分野横断的な取り組みとして、たとえば、避難計画のための領域分割の列挙を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

多面体の展開図の列挙において、同型なものを排除して本質的に異なる展開図を求める途中で、BDD/ZDD のノード爆発が起こり得る。これに対処するため、個々の展開図を列挙することなく、同型性を排除した展開図の個数を求めるアルゴリズムを開発した。また、本手法は一般の多面体に対して適用可能であることを証明した。本手法を実際に整面凸多面体 (各面が正多角形からなる凸多面体で、正多面体、半正多面体、ジョンソン・ザルガラー立体、正n角柱、正n反角柱からなる) に対して適用した。たとえば、角切り二十面体の辺ラベル付き展開図は 375,291,866,372,898,816,000個であり、これらを1つ1つ列挙して同型性をチェックすることは、計算時間の面からも、計算に使用するメモリの面からも困難である。これに対し、本手法を適用することで、個々の展開図を列挙することなく、同型性を除去した本質的に異なる展開図が 3,127,432,220,939,473,920個であることが分かった。ねじれ十二面体や角切り十二・二十面体の辺ラベル付き展開図は、それぞれ 438,201,295,386,966,498,858,139,607,040,000,000個と 21,789,262,703,685,125,511,464,767,107,171,876,864,000個であり、さらに困難性が増すが、本手法により同型性を排除した展開図の個数はそれぞれ 7,303,354,923,116,108,380,042,995,304,896,000個と 181,577,189,197,376,045,928,994,520,239,942,164,480個であることが分かった。他分野でも同型性の排除が困難になる問題が多々あり、本手法は分野横断的な応用が期待できる。
以上のように、研究計画に沿って、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

多面体の展開図については、同型性の排除に引き続き主眼を置き、同型なものを排除して本質的に異なる展開図のみを求める手法のさらなる改良を目指す。一つは、より効率的なアルゴリズムの開発と実装により、展開図の列挙手法が現実的な計算時間と使用メモリで適用可能な多面体の範囲を広げる。また、本質的に異なる展開図の個数が莫大であり、それらをすべて記憶することが困難な場合には、展開図の索引化を検討する。すなわち、個々の展開図を列挙することなく、個々の展開図と展開図番号を対応させる手法を検討する。指定された展開図番号から対応する展開図を求めたり、与えられた展開図から対応する展開図番号を求めたりできるようにすることで、展開図の簡便な記述が可能となる。また、展開図の列挙の応用として、2つまたはそれ以上の多面体が共通の展開図を持つかの検討を行う。この問題は、1つの型紙 (展開図) から複数の多面体を折ることができ、部材の共用の観点から重要な未解決問題を含んでいる。
タイリングの列挙については、p4 タイリング可能なポリオミノの列挙手法の拡張を検討する。具体的には、pmg タイリング (鏡映とすべり鏡映によるタイリング) を取り上げる。生成の対象は引き続きポリオミノである。ここで、ポリオミノは、複数の単位正方形を辺々接着した平面図形である。直交格子上でポリオミノを扱う点は p4 タイリングと同じであるが、鏡映およびすべり鏡映は隣接関係が異なり、これまで検討されてこなかった。このため、pmg タイリングに特有の性質を利用したルールを追加する必要があるかについて慎重に検討する必要がある。

  • Research Products

    (12 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (10 results)

  • [Journal Article] Base-object location problems for base-monotone regions2014

    • Author(s)
      J. Chun, T. Horiyama, T. Ito, N. Kaothanthong, H. Ono, Y. Otachi, T. Tokuyama, R. Uehara, T. Uno
    • Journal Title

      Theoretical Computer Science

      Volume: 555 Pages: 71-84

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Number of Different Unfoldings of Polyhedra2013

    • Author(s)
      T. Horiyama, W. Shoji
    • Journal Title

      Lecture Notes in Computer Science

      Volume: 8283 Pages: 623-633

    • DOI

      10.1007/978-3-642-45030-3_58

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Enumeration of All Paths between All Pairs of Vertices by Zero-Suppressed Binary Decision Diagrams2014

    • Author(s)
      T. Horiyama, K. Adachi
    • Organizer
      20th Conference of the International Federation of Operational Research Societies
    • Place of Presentation
      Barcelona, Spain
    • Year and Date
      20140713-20140718
  • [Presentation] Sankaku-Tori: An Old Western-Japanese Game Played on a Point Set2014

    • Author(s)
      T. Horiyama, M. Kiyomi, Y. Okamoto, R. Uehara, T. Uno, Y. Uno, Y. Yamauchi
    • Organizer
      7th International Conference on Fun with Algorithms
    • Place of Presentation
      Sicily, Italy
    • Year and Date
      20140701-20140703
  • [Presentation] Enumeration of region partitioning for evacuation planning based on ZDD2013

    • Author(s)
      A. Takizawa, Y. Takechi, A. Ohta, N. Katoh, T. Inoue, T. Horiyama, J. Kawahara, S. Minato
    • Organizer
      11th International Symposium on Operations Research and its Applications in engineering, technology and management
    • Place of Presentation
      Huangshan, China
    • Year and Date
      20130823-20130825
  • [Presentation] Computational Complexity of Piano-Hinged Dissections2013

    • Author(s)
      Z. Abel, E. D. Demaine, M. L. Demaine, T. Horiyama, R. Uehara
    • Organizer
      情報処理学会, アルゴリズム研究会
    • Place of Presentation
      小樽市, 小樽商科大学
    • Year and Date
      20130517-20130518
  • [Presentation] ZDD-Based Approach to Solving Tantrix

    • Author(s)
      Y. Hagiwara, T. Horiyama, Y. Uno
    • Organizer
      6th Asian Association for Algorithms and Computation Annual Meeting
    • Place of Presentation
      松島市, 松島大観荘
  • [Presentation] The Number of Different Unfoldings of Polyhedra

    • Author(s)
      T. Horiyama, W. Shoji
    • Organizer
      24th International Symposium on Algorithms and Computation
    • Place of Presentation
      the University of Hong Kong, Hong Kong
  • [Presentation] Enumerating Polyominoes of p4 Tiling Revisited

    • Author(s)
      T. Horiyama, S. Yamane
    • Organizer
      LA symposium
    • Place of Presentation
      京都市, 京都大学
  • [Presentation] 正多面体の展開図のパッキング問題について

    • Author(s)
      堀山貴史, 古岡泰成
    • Organizer
      第9回 組合せゲーム・パズル 研究集会
    • Place of Presentation
      能美市, 北陸先端科学技術大学院大学
  • [Presentation] 三角取りの多項式時間解法とNP完全性の研究

    • Author(s)
      堀山貴史, 清見礼, 岡本吉央, 上原隆平, 宇野毅明, 宇野裕之, 山内由紀子
    • Organizer
      第9回 組合せゲーム・パズル 研究集会
    • Place of Presentation
      能美市, 北陸先端科学技術大学院大学
  • [Presentation] ZDD を用いた都市の避難所割り当ての列挙

    • Author(s)
      瀧澤重志, 武知祥史, 大田章雄, 中野浩太郎, 加藤直樹, 井上武, 堀山貴史, 川原純, 湊真一
    • Organizer
      日本オペレーションズ・リサーチ学会 2013年秋季研究発表会
    • Place of Presentation
      徳島市, 徳島大学

URL: 

Published: 2015-05-28  

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