AI Summary & Key Takeaways
AI InsightThe results reveal in detail the trade-offs in solution quality, runtime, and memory usage between different algorithms.
📌 3 Key Takeaways
Abstract
The Minimum Dominating Set (MDS) problem is an NP-hard optimization problem that aims to find the smallest dominating set of nodes encompassing all nodes of a graph. Because it is equivalent to the cluster covering problem, approximate solutions better than the multiplier (1−ε)lnn cannot be obtained in polynomial time unless P = NP. This work presents a comprehensive comparison of ten representative methods selected from six algorithm families (exact ILP, greedy and degree-based heuristics, configuration-controlled local search, genetic algorithm, ant colony optimization, binary particle swarm optimization, simulated annealing, enhanced binary whale optimizer, and synchronous distributed greedy algorithm) in a single, reproducible experimental framework. Experiments were performed on a total of 110 benchmark graphs consisting of five real-world networks and nine random graph models; stochastic methods were evaluated with 30 independent runs, and ILP optima were used as a quality reference. Statistical analyses show significant performance differences between the algorithms (Friedman χ²(9) = 69.6, p = 1.8×10⁻¹¹). Configuration-checking local search was the most successful approximate method, reaching the optimum solution in most instances, followed closely by ant colony optimization and genetic algorithm. While exact ILP produced fast solutions up to approximately 200 nodes, it ran into time constraints in larger and denser graphs; at these scales, metaheuristic methods were the most feasible option. Furthermore, it was shown that the genetic algorithm could be sped up by 1.7–2.5× with parallelization, while the distributed algorithm could operate with low communication costs in large-scale networks with an approximately 14% loss in solution quality.. The results reveal in detail the trade-offs in solution quality, runtime, and memory usage between different algorithms.
Özet
Minimum baskın küme (MDS) problemi, bir grafın tüm düğümlerini kapsayan en küçük baskın düğüm kümesini bulmayı amaçlayan NP-zor bir optimizasyon problemidir. Küme örtme problemine eşdeğer olması nedeniyle, P = NP olmadıkça polinom zamanda (1−ε)lnn çarpanından daha iyi yaklaşık çözümler elde edilememektedir. Bu çalışma, altı algoritma ailesinden seçilen on temsilî yöntemin (kesin ILP, açgözlü ve derece-tabanlı sezgiseller, yapılandırma-denetimli yerel arama, genetik algoritma, karınca kolonisi optimizasyonu, ikili parçacık sürü optimizasyonu, tavlama benzetimi, geliştirilmiş ikili balina optimize edici ve senkron dağıtık açgözlü algoritma) tek ve yeniden üretilebilir bir deneysel çerçevede kapsamlı karşılaştırmasını sunmaktadır. Deneyler, beş gerçek dünya ağı ve dokuz rastgele graf modelinden oluşan toplam 110 kıyaslama grafı üzerinde gerçekleştirilmiş; stokastik yöntemler 30 bağımsız çalıştırma ile değerlendirilmiş ve ILP optimumları kalite referansı olarak kullanılmıştır. İstatistiksel analizler algoritmalar arasında anlamlı performans farkları olduğunu göstermektedir (Friedman χ²(9) = 69.6, p = 1,8×10⁻¹¹). Yapılandırma-denetimli yerel arama, çoğu örnekte optimum çözüme ulaşarak en başarılı yaklaşık yöntem olurken, karınca kolonisi optimizasyonu ve genetik algoritma onu yakından takip etmiştir. Kesin ILP yaklaşık 200 düğüme kadar hızlı çözümler üretirken, daha büyük ve yoğun graflarda süre sınırına takılmış; bu ölçeklerde metasezgisel yöntemler en uygulanabilir seçenek olmuştur. Ayrıca genetik algoritmanın paralelleştirme ile 1,7–2,5× hızlanabildiği, dağıtık algoritmanın ise yaklaşık %14 çözüm kalitesi kaybı karşılığında büyük ölçekli ağlarda düşük iletişim maliyetiyle çalışabildiği gösterilmiştir. Sonuçlar, farklı algoritmalar arasındaki çözüm kalitesi, çalışma süresi ve bellek kullanımı ödünleşimlerini ayrıntılı biçimde ortaya koymaktadır.