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Dynamic Programming |
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An Electronic Device Problem
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| mi | i = 1 | i =2 | i = 3 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| r1m1 | c1m1 | r2m2 | c2m2 | r3m3 | c3m3 | |
| 1 | .5 | 2 | .7 | 3 | .6 | 1 |
| 2 | .7 | 4 | .8 | 5 | .8 | 2 |
| 3 | .9 | 5 | .9 | 6 | .9 | 3 |
Here mi is the number of parallel units placed with ith component, rimi is the reliability of the ith component and cimi is the cost for the ith component. Determine mi which will maximize the total reliability of the system without exceeding the given capital.
In this example, we consider each component as one stage. Let the
state xi be defined as the capital allocated stages 1, 2,
..., i. The reliability rimi is a function of
cimi, i.e., rimi (cimi).
In general the recursive equation is ¦i(xi)
= Max. {rimi (cimi) ¦i
-1(xi – cimi)}
where mi = 1, 2, 3.
0 £ cimi £
xi, i = 1, 2, 3.
There is one table for each possible stage n, namely, n = 1, 2, and
3. We summarize this information in the format below:
| State | Evaluations of feasible alternatives ¦1(x1) = r1m1 (c1m1) |
Maximum reliability | ||||||
| m1 = 1 | m1 = 2 | m1 = 3 | ||||||
| x1 | r1m1 = .5 | c1m1 = 2 | r1m1 = .7 | c1m1 = 4 | r1m1 = .9 | c1m1 = 5 | ¦1(x1) | m1* |
| 0 | - | - | - | - | - | |||
| 1 | - | - | - | - | - | |||
| 2 | .5 | - | - | .5 | 1 | |||
| 3 | .5 | - | - | .5 | 1 | |||
| 4 | .5 | .7 | - | .7 | 2 | |||
| 5 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
| 6 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
| 7 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
| 8 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
| 9 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
| 10 | .5 | .7 | .9 | .9 | 3 | |||
The analysis for n = 2 appears in the following table.
| State | ¦2(x2) = r2m2 (c2m2). ¦1(x2 – c2m2) | Maximum reliability | ||||||
| m2 = 1 | m2 = 2 | m2 = 3 | ||||||
| x2 | r2m2 = .7 | c2m2 = 3 | r2m2 = .8 | c2m2 = 5 | r2m2 = .9 | c2m2 = 6 | ¦2(x2) | m2* |
| 0 | - | - | - | - | - | |||
| 1 | - | - | - | - | - | |||
| 2 | - | - | - | - | - | |||
| 3 | .7 X ( - ) = - | - | - | - | - | |||
| 4 | .7 X ( - ) = - | - | - | - | - | |||
| 5 | .7 X .5 = .35 | .8 X ( - ) = ( - ) | - | .35 | 1 | |||
| 6 | .7 X .5 = .35 | .8 X ( - ) = ( - ) | .9 X ( - ) = ( - ) | .35 | 1 | |||
| 7 | .7 X .7 = .49 | .8 X .5 = .40 | .9 X ( - ) = ( - ) | .49 | 1 | |||
| 8 | .7 X .9 = .63 | .8 X .5 = .40 | .9 X .5 = .45 | .63 | 1 | |||
| 9 | .7 X .9 = .63 | .8 X .7 = .56 | .9 X .5 = .45 | .63 | 1 | |||
| 10 | .7 X .9 = .63 | .8 X .9 = .72 | .9 X .7 = .63 | .72 | 2 | |||
Note that in case m2 = 1, ¦1(x2 - c2m2) has no value until x2 – c2m2 £ 1 or x2 £ 1+ c2m2 = 1 + 3 = 4. Similar is the case with other columns in this table.
| State | ¦3(x3) = r3m3 (c3m3). ¦2(x3 - c3m3) | Maximum reliability | ||||||
| m3 = 1 | m3 = 2 | m3 = 3 | ||||||
| x3 | r3m3 = .6 | c3m3 = 1 | r3m3 = .8 | c3m3 = 2 | r3m3 = .9 | c3m3 = 3 | ¦3(x3) | m3* |
| 0 | - | - | - | - | - | |||
| 1 | .6 X ( - ) = ( - ) | - | - | - | - | |||
| 2 | .6 X ( - ) = ( - ) | .8 X ( - ) = ( - ) | - | - | - | |||
| 3 | .6 X ( - ) = ( - ) | .8 X ( - ) = ( - ) | .9 X ( - ) = ( - ) | - | - | |||
| 4 | .6 X ( - ) = ( - ) | .8 X ( - ) = ( - ) | .9 X ( - ) = ( - ) | - | - | |||
| 5 | .6 X ( - ) = ( - ) | .8 X ( - ) = ( - ) | .9 X ( - ) = ( - ) | - | - | |||
| 6 | .6 X .35 = .210 | .8 X ( - ) = ( - ) | .9 X ( - ) = ( - ) | .210 | 1 | |||
| 7 | .6 X .35 = .210 | .8 X .35 = .280 | .9 X ( - ) = ( - ) | .280 | 2 | |||
| 8 | .6 X .49 = .294 | .8 X .35 = .280 | .9 X .35 = .315 | .315 | 3 | |||
| 9 | .6 X .63 = .378 | .8 X .49 = .392 | .9 X .35 = .315 | .392 | 2 | |||
| 10 | .6 X .63 = .378 | .8 X .63 = .504 | .9 X .49 = .441 | .504 | 2 | |||
The maximum reliability is .504. for the m3* = 2. Also for this, the optimal ¦2(x3 – c3m2) = ¦2(8) = .63. Hence the corresponding m2* = 2. Similarly, the corresponding m1* = 3.
| The dynamic programming technique is useful for making a sequence of interrelated decisions where the objective is to optimize the overall outcome of the entire sequence of decisions over a period of time. This technique decomposes the original problem into a sequence of stages, which can then be handled more efficiently from the computational point of view. In contrast, most linear and nonlinear programming approaches attempt to solve such problems by considering all the constraints simultaneously. The dynamic programming technique is used in various fields such as inventory control, replacement, bidding problems, allocation, etc. | |