A C++ Class Library for Mathematical Programming

8/2/2019 A C++ Class Library for Mathematical Programming

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A C + + C l a s s L i b r a r y

f o r M a t h e m a t i c a l P r o g r a m m i n g

S o r e n S . N i e l s e n

M a n a g e m e n t S c i e n c e a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m s

U n i v e r s i t y o f T e x a s

A u s t i n , T X 7 8 7 1 2

n i e l s e n @ g u l d f a x e . b u s . u t e x a s . e d u

J u n e 1 9 9 3

R e v i s e d , J u n e 1 9 9 4

A b s t r a c t

W e p r e s e n t a l i b r a r y o f C + + c l a s s e s f o r w r i t i n g m a t h e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n

m o d e l s i n C + + . T h e l i b r a r y d e n e s c l a s s e s t o r e p r e s e n t t h e v a r i a b l e s a n d

c o n s t r a i n t s o f m o d e l s , a n d a l s o d e n e s o v e r l o a d e d o p e r a t o r s o n t h e s e c l a s s e s

w h i c h r e s u l t s i n a n a t u r a l s y n t a x f o r m o d e l d e n i t i o n .

T h e s y s t e m r e q u i r e s p r o g r a m m i n g i n C + + f o r i t s u s e , a n d i s h e n c e m o s t

s u i t a b l e f o r t h e a d v a n c e d p r o g r a m m e r / m o d e l e r . F o r s u c h a u s e r , h o w e v e r , i t

p r o v i d e s s o m e a d v a n t a g e s o v e r s t a n d a r d m o d e l i n g s y s t e m s . F i r s t , t h e s y s t e m

p r e s e r v e s a l l t h e a d v a n t a g e s o f w o r k i n g w i t h a p r o g r a m m i n g l a n g u a g e , s u c h a s

e c i e n c y , e x i b i l i t y a n d o p e n n e s s . S e c o n d , C + + a l l o w s u s e r s t o e x t e n d a n d

s p e c i a l i z e e x i s t i n g d a t a t y p e s . A s a n e x a m p l e o f t h i s , w e s h o w h o w a u s e r c o u l d

d e n e a s p e c i a l i z e d n e t w o r k m o d e l t y p e w i t h n o d e s a n d a r c s .

E c i e n t d a t a s t r u c t u r e s f o r s t o r i n g a n d m a n i p u l a t i n g s p a r s e a r r a y s a r e i n -

t r o d u c e d , t h e c o n c e p t o f v a r i a b l e a l i a s i n g i s d i s c u s s e d , a n d a n u m b e r o f r e l a t e d ,

f u t u r e r e s e a r c h t o p i c s a r e p r e s e n t e d .

K e y W o r d s : M o d e l i n g L a n g u a g e s , O b j e c t - o r i e n t e d P r o g r a m m i n g , C + + .

T o a p p e a r , T h e I m p a c t o f E m e r g i n g T e c h n o l o g i e s o n C o m p u t e r S c i e n c e a n d

O p e r a t i o n s R e s e a r c h , A . S o f e r a n d S . G . N a s h ( e d ) , K l u w e r , 1 9 9 5 .

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1 I n t r o d u c t i o n

M a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g s y s t e m s , f o r i n s t a n c e G A M S 1 9 9 2 ] o r A M P L 1 9 9 3 ] , f a -

c i l i t a t e t h e f o r m u l a t i o n a n d s o l u t i o n o f m a t h e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n m o d e l s b y p r o v i d -

i n g h i g h - l e v e l m o d e l i n g a b s t r a c t i o n s s u c h a s v a r i a b l e s a n d e q u a t i o n s , a n d l a n g u a g e s

f o r e c i e n t l y m a n i p u l a t i n g a n d c o m b i n i n g t h e s e o b j e c t s , a n d b y p r o v i d i n g a u t o m a t i c

i n t e r a c t i o n w i t h o p t i m i z a t i o n s o f t w a r e . H o w e v e r , f o r m u l a t i n g a n d s o l v i n g a m a t h e -

m a t i c a l m o d e l i s o f t e n o n l y a p a r t o f t h e s o l u t i o n p r o c e s s . I n r e a l i s t i c a p p l i c a t i o n s

a n o p t i m i z a t i o n s y s t e m i s ( o r s h o u l d b e ) a n i n t e g r a t e d p a r t o f a l a r g e r d e c i s i o n s u p -

p o r t s y s t e m , s i n c e d a t a t y p i c a l l y n e e d t o b e p r o c e s s e d b y o t h e r p a r t s o f t h e s y s t e m

b e f o r e a n d a f t e r t h e o p t i m i z a t i o n s t e p : S t o r i n g a n d r e t r i e v i n g d a t a f r o m d a t a b a s e s ,

r e a c t i n g t o l i v e d a t a f e e d s , p r e s e n t i n g r e s u l t s g r a p h i c a l l y a n d i n t e r a c t i n g w i t h o t h e r

\ b l a c k b o x " c o m p o n e n t s . W h e n m o d e l s a r e u s e d o p e r a t i o n a l l y , t h e p r o c e s s o f d a t a

c o l l e c t i o n , m o d e l s o l u t i o n a n d r e s u l t p r o c e s s i n g n e e d s t o b e a u t o m a t e d , a n d c a n n o t

b e c a r r i e d o u t e n t i r e l y w i t h i n t h e m o d e l i n g s y s t e m . A l t h o u g h m o d e l i n g l a n g u a g e s

a r e d e v e l o p i n g i n r e s p o n s e t o t h e s e i s s u e s , a n d i n c r e a s i n g l y a r e b e g i n n i n g t o i n c o r p o -

r a t e p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s c o n s t r u c t s , t h e y a r e g e n e r a l l y d i c u l t t o i n t e g r a t e , a n d

m o d e l e r s a r e s t i l l o f t e n f o r c e d t o e s c a p e t h e m o d e l i n g s y s t e m i n f a v o r o f l a n g u a g e s

s u c h a s C o r F O R T R A N .

A t t h e s a m e t i m e a s m o d e l i n g l a n g u a g e s a r e d e v e l o p i n g , s o a r e p r o g r a m m i n g

l a n g u a g e s . A m o d e r n , o b j e c t - o r i e n t e d l a n g u a g e s u c h a s C + + ( E l l i s a n d S t r o u s t r u p

1 9 9 0 ] ) . g i v e s t h e p r o g r a m m e r t h e f u l l e x i b i l i t y a n d e c i e n c y o f a n y p r o g r a m m i n g

l a n g u a g e , b u t a t t h e s a m e t i m e a l l o w s t h e d e n i t i o n o f \ a b s t r a c t d a t a t y p e s " , t h r o u g h

c l a s s e s , w h i c h c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t h i g h - l e v e l o b j e c t s . T h e i d e a n a t u r a l l y a r i s e s

t o d e n e m o d e l i n g a b s t r a c t i o n s i n t h e p r o g r a m m i n g l a n g u a g e , a n d h e n c e t a y l o r t h e

p r o g r a m m i n g l a n g u a g e t o w a r d s m o d e l i n g a p p l i c a t i o n s , r a t h e r t h a n a p p r o a c h i n g t h e

c a p a b i l i t i e s o f p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s b y e x t e n d i n g t h e m o d e l i n g s y s t e m s .

W e p r e s e n t h e r e a l i b r a r y o f C + + c l a s s e s w h i c h d e n e s a n d i m p l e m e n t s m o d e l i n g

a b s t r a c t i o n s . B y s u i t a b l y r e d e n i n g ( o v e r l o a d i n g ) s t a n d a r d C + + o p e r a t o r s , a s y n t a x

v e r y s i m i l a r t o t h a t o f G A M S o r A M P L c a n b e u s e d i n t h e d e n i t i o n o f e x p r e s s i o n s

a n d c o n s t r a i n t s . O u r a i m i s t o s h o w t h a t t h e e x i b i l i t y a n d c a p a b i l i t i e s o f a m o d e l i n g

s y s t e m c a n b e a p p r o x i m a t e d u s i n g p r o g r a m m i n g l a n g u a g e c o n s t r u c t s , t h u s c o m b i n i n g

t h e n o t a t i o n a l c o n v e n i e n c e o f m o d e l i n g a b s t r a c t i o n s o e r e d b y m o d e l i n g s y s t e m s w i t h

t h e o p e n n e s s , e c i e n c y a n d e x i b i l i t y o f a p r o g r a m m i n g l a n g u a g e . T o t h i s e n d , w e

p r e s e n t s e v e r a l e x a m p l e s o f t h e u s e o f t h e s y s t e m . W e a s s u m e t h a t t h e r e a d e r i s

s o m e w h a t f a m i l i a r w i t h C , b u t a s s u m e n o p r i o r k n o w l e d g e o f C + + .

W h i l e t h e C p r o g r a m m i n g l a n g u a g e , K e r n i g a n a n d R i t c h i e 1 9 7 8 ] , i s b e c o m i n g

w i d e l y u s e d t o w r i t e o p t i m i z a t i o n s o f t w a r e ( e . g . , C P L E X , B i x b y 1 9 9 2 ] , L O Q O , V a n -

d e r b e i a n d C a r p e n t e r 1 9 9 3 ] ) , C + + i s n o t w i d e l y u s e d i n t h e O R c o m m u n i t y . B i r c h e n -

h a l l 1 9 9 2 ] u s e s C + + t o d e n e a m a t r i x l i b r a r y f o r e c o n o m e t r i c s . T h i s l i b r a r y c o u l d

b e v e r y u s e f u l a s a s u p p l e m e n t t o , o r i n t e g r a t e d w i t h , t h e p r e s e n t c l a s s l i b r a r y , s i n c e i t

i n c o r p o r a t e s r o u t i n e s f o r m a t r i x d e c o m p o s i t i o n a n d f o r s o l v i n g s y s t e m s o f e q u a t i o n s .

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H o w e v e r , i n c o n t r a s t w i t h t h e m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g l i b r a r y , i t a p p l i e s d e n s e

d a t a s t r u c t u r e s t h r o u g h o u t , a n d i s c o n s e q u e n t l y l e s s s u i t e d f o r l a r g e - s c a l e a p p l i c a -

t i o n s .

T h e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . W e r s t g i v e a s m a l l e x a m p l e L P m o d e l . W e

t h e n d i s c u s s a s p e c t s o f t h e C + + i m p l e m e n t a t i o n o f t h e c l a s s l i b r a r y , a n d d i s c u s s

a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f u s i n g C + + f o r m o d e l i n g . S e c t i o n 4 d i s c u s s e s t h e

a d d i t i o n o f v e c t o r s a n d a s s o c i a t e d o p e r a t i o n s t o t h e l i b r a r y t o a l l o w a n e c i e n t ,

a l g e b r a i c n o t a t i o n f o r v e c t o r o p e r a t i o n s . S e c t i o n 5 i n t r o d u c e s t h e c o n c e p t o f a l i a s i n g ,

a n d i n S e c t i o n 6 w e g i v e s o m e f u t u r e r e s e a r c h t o p i c s .

2 A S m a l l E x a m p l e M o d e l

I n o r d e r t o i n t r o d u c e o u r i d e a s , w e s h o w h e r e a s m a l l L P m o d e l f o r m u l a t e d i n G A M S ,

F i g u r e 1 . W e a l s o s h o w i n F i g u r e 2 h o w t h i s m o d e l c a n b e f o r m u l a t e d i n C + + , u s i n g

t h e m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g ( M P ) l i b r a r y . T h e m o d e l i s f r o m A M P L 1 9 9 3 ] , w h e r e

i t s f o r m u l a t i o n i s f o u n d o n p a g e 5 .

T h e t w o r e p r e s e n t a t i o n s d e c l a r e a n d d e n e m o d e l c o m p o n e n t s i n t h e s a m e o r d e r .

T h e C + + m o d e l b e g i n s b y i n c l u d i n g t h e M P l i b r a r y d e n i t i o n s . T h e n t h e m o d e l v a r i -

a b l e s , c o n s t r a i n t s a n d t h e m o d e l i t s e l f a r e d e c l a r e d . T h e s e d a t a t y p e s ( M P v a r i a b l e ,

M P c o n s t r a i n t a n d M P m o d e l ) a r e d e n e d a s c l a s s e s i n t h e M P l i b r a r y . W e n e x t

d e n e t h e c o n s t r a i n t s o f t h e m o d e l . T h e s t a t e m e n t

T i m e = ( 1 / 2 0 0 . 0 ) * X _ B + ( 1 / 1 4 0 . 0 ) * X _ C < = 4 0 . 0 ;

i l l u s t r a t e s a n e x a m p l e o f o p e r a t o r o v e r l o a d i n g : H e r e , t h e < = o p e r a t o r i s d e n e d

t o a c c e p t t w o p a r a m e t e r s ( o f t y p e M P e x p r e s s i o n ) , a n d r e t u r n a n o b j e c t o f t y p e

M P c o n s t r a i n t , w h i c h i s t h e n a s s i g n e d t o t h e o b j e c t T i m e . T h e r i g h t - h a n d s i d e o f t h e

< = o p e r a t o r i s t h e c o n s t a n t 4 0 . 0 , w h i l e t h e l e f t - h a n d s i d e i s c o n s t r u c t e d b y t h e o v e r -

l o a d e d + a n d * o p e r a t o r s , w h i c h t a k e o p e r a n d s o f n u m e r i c t y p e o r t y p e M P v a r i a b l e

a n d r e t u r n o b j e c t s o f t y p e M P e x p r e s s i o n . T h e e e c t o f e x e c u t i n g t h i s s t a t e m e n t

i s t o b u i l d a t r e e - s t r u c t u r e w h i c h r e p r e s e n t s t h e c o n s t r a i n t , a n d s t o r e a r e f e r e n c e t o

t h e t r e e s t r u c t u r e i n T i m e . N o t e t h a t t h e s t a n d a r d u s e s o f < = , + o r * o n n u m e r i c a l

d a t a a r e n o t l o s t . C + + i s a s t r o n g l y t y p e d l a n g u a g e , a n d t h e p r e c i s e i n t e r p r e t a t i o n

o f o p e r a t o r s i s d e t e r m i n e d a t c o m p i l e - t i m e b y t h e t y p e s o f t h e o p e r a n d s .

A f t e r d e n i n g t h e r e m a i n i n g c o n s t r a i n t s , i t o n l y r e m a i n s t o d e n e w h i c h c o n -

s t r a i n t s a r e p a r t o f t h e m o d e l . T h i s i s d o n e b y c a l l i n g t h e s u b j e c t t o f u n c t i o n o f

t h e m o d e l o b j e c t w i t h a l i s t o f c o n s t r a i n t o b j e c t s . W e t h e n d e n e t h e m o d e l ' s o b -

j e c t i v e , w h i c h i s a n o t h e r o b j e c t o f t y p e M P e x p r e s s i o n , a n d a s k f o r i t t o b e s o l v e d

a n d t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n m a x i m i z e d . T h e s y s t e m i s p r e s e n t l y c o n n e c t e d t o o n l y o n e

L P s o l v e r ( L O Q O , V a n d e r b e i a n d C a r p e n t e r 1 9 9 3 ] ) , b u t t h e i n t e r f a c e i s s u c i e n t l y

g e n e r a l t h a t n e w s o l v e r s c a n b e a d d e d q u i t e e a s i l y , a s l o n g a s t h e y c a n b e c a l l e d a s

s u b r o u t i n e s f r o m t h e C + + s y s t e m .

3


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* S m a l l L P e x a m p l e . R e f : A M P L 1 9 9 3 , p . 5 ]

v a r i a b l e p r o f i t ;

p o s i t i v e v a r i a b l e s X _ B , X _ C ;

e q u a t i o n s T i m e , B _ l i m i t , C _ l i m i t , p r o f _ d e f ;

T i m e . . ( 1 / 2 0 0 ) * X _ B + ( 1 / 1 4 0 ) * X _ C = L = 4 0 ;

B _ l i m i t . . X _ B = L = 6 0 0 0 ;

C _ l i m i t . . X _ C = L = 4 0 0 0 ;

p r o f _ d e f . . p r o f i t = e = 2 5 * X _ B + 3 0 * X _ C ;

m o d e l m / T i m e , B _ l i m i t , C _ l i m i t , p r o f _ d e f / ;

s o l v e m m a x i m i z i n g p r o f i t u s i n g l p ;

F i g u r e 1 : A s m a l l L P m o d e l i n G A M S

/ / C + + L P m o d e l i n 2 v a r i a b l e s . R e f : A M P L 1 9 9 3 , p . 5 ] .

# i n c l u d e " M P _ l i b r a r y . h "

v o i d m a i n ( )

{

M P _ v a r i a b l e X _ B , X _ C ;

M P _ c o n s t r a i n t T i m e , B _ l i m i t , C _ l i m i t ;

T i m e = ( 1 / 2 0 0 . 0 ) * X _ B + ( 1 / 1 4 0 . 0 ) * X _ C < = 4 0 ;

B _ l i m i t = X _ B < = 6 0 0 0 ;

C _ l i m i t = X _ C < = 4 0 0 0 ;

M P _ m o d e l m o d e l ;

m o d e l . s u b j e c t _ t o ( T i m e , B _ l i m i t , C _ l i m i t ) ;

m o d e l . o b j e c t i v e = 2 5 * X _ B + 3 0 * X _ C ;

m o d e l . m a x i m i z e ( ) ;

}

F i g u r e 2 : T h e s a m e m o d e l i n C + + u s i n g t h e M a t h e m a t i c a l P r o g r a m m i n g c l a s s l i b r a r y .

4


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3 S t r u c t u r e a n d U s e o f t h e C l a s s L i b r a r y

T h e C + + p r o g r a m m i n g l a n g u a g e g r e w o u t o f t h e p o p u l a r C l a n g u a g e , u n d e r t h e

i n u e n c e o f l a n g u a g e s l i k e S i m u l a a n d S m a l l t a l k . W h i l e C + + c o n t a i n s C a s a p r o p e r

s u b s e t , t h e r e i s a d i s t i n c t l y d i e r e n t a v o r t o t h e l a n g u a g e . T h e p r i m a r y d i e r e n c e

b e t w e e n t h e t w o l a n g u a g e s i s t h a t C + + h a s c l a s s e s . C l a s s e s a r e u s e d t o d e n e a n d

i m p l e m e n t n e w d a t a t y p e s a n d t h e o p e r a t i o n s a l l o w e d o n t h e m . A n o f t e n - u s e d e x -

a m p l e i s t h a t o f d e n i n g a c o m p l e x - n u m b e r t y p e a s a c l a s s c o n t a i n i n g t w o o a t i n g

p o i n t n u m b e r s ( f o r t h e r e a l a n d i m a g i n a r y p a r t ) , a n d t h e n d e n i n g t h e a r i t h m e t i c

o p e r a t o r s ( + , - , * , / ) a n d v a r i o u s f u n c t i o n s ( s i n , c o s , l o g ) o n t h e m , a s w e l l a s i n p u t

a n d o u t p u t f u n c t i o n s a n d c o n v e r s i o n f u n c t i o n s f r o m r e a l n u m b e r s . O n c e s u c h a c l a s s

i s d e n e d , c o m p l e x n u m b e r s c a n b e u s e d i n a p r o g r a m j u s t l i k e t h e b u i l t - i n a r i t h -

m e t i c d a t a t y p e s . I n t h i s s e n s e C + + i s a n e x t e n s i b l e l a n g u a g e . A l t h o u g h C + + i s

n o t a d e c l a r a t i v e l a n g u a g e , p r o g r a m m i n g i n C + + n a t u r a l l y f o c u s e s a t t e n t i o n o n t h e

d e c l a r a t i o n o f s u i t a b l e d a t a t y p e s a n d t h e i r a s s o c i a t e d b e h a v i o r a n d o p e r a t i o n s ( i . e . ,

c l a s s e s a n d t h e i r i n t e r f a c e s ) , a n d o n l y s e c o n d a r i l y o n t h e i r i m p l e m e n t a t i o n , w h e r e a s

i n C o n e t e n d s t o f o c u s m o r e o n t h e i m p e r a t i v e l a n g u a g e c o n s t r u c t s , i . e . , e x e c u t a b l e

s t a t e m e n t s . D e v e l o p i n g c l a s s l i b r a r i e s i n C + + c a n b e c o n s i d e r a b l y m o r e c o m p l e x

t h a n p r o g r a m m i n g i n m a n y o t h e r l a n g u a g e s , b u t u s e f u l p a r a d i g m s a n d i d i o m s a r e

d e v e l o p i n g t o f a c i l i t a t e t h i s ; s e e , e . g . , C o p l i e n 1 9 9 2 ] . O n t h e o t h e r h a n d , u s i n g a

w e l l - d e s i g n e d c l a s s l i b r a r y c a n b e q u i t e s i m p l e , a s o u r e x a m p l e s i n d i c a t e .

3 . 1 T h e M P C l a s s e s

T o r e p r e s e n t a v a r i a b l e i n a m a t h e m a t i c a l m o d e l w e d e n e a n M P v a r i a b l e c l a s s .

O b j e c t s , o r v a r i a b l e s , o f t y p e M P v a r i a b l e h a v e a t t r i b u t e s t h a t d e n e t h e t y p e o f

t h e v a r i a b l e ( c o n t i n u o u s o r d i s c r e t e ) , a n d o a t i n g p o i n t e l d s l e v e l , d u a l , u p p e r

a n d l o w e r , w h i c h r e p r e s e n t t h e l e v e l a n d d u a l v a l u e s , a n d b o u n d s o f t h e v a r i a b l e .

B y d e f a u l t , t h e l e v e l a n d d u a l v a l u e s a r e 0 , a n d t h e b o u n d s a r e 0 a n d \ I n n i t y " ,

r e s p e c t i v e l y , b u t t h e s e c a n b e r e s e t . F o r i n s t a n c e , x . s e t u p p e r ( 2 0 0 ) ; s e t s t h e u p p e r

b o u n d o f t h e v a r i a b l e x t o 2 0 0 . T h e r e a r e a l s o f u n c t i o n s t o x a v a r i a b l e , t e m p o r a r i l y

c h a n g i n g i t s b o u n d s t o a c o m m o n v a l u e , a n d t o \ u n x " i t . M P v a r i a b l e s c a n b e

a l i a s e d w i t h e a c h o t h e r , w h i c h a l l o w s m u l t i p l e v a r i a b l e n a m e s t o r e f e r t o t h e s a m e

a c t u a l M P v a r i a b l e o b j e c t ; e x a m p l e s a r e g i v e n i n S e c t i o n 5 .

A n M P v a r i a b l e i s a s p e c i a l c a s e o f a n o b j e c t o f c l a s s M P e x p r e s s i o n . B a s i c

a r i t h m e t i c o p e r a t o r s a r e d e n e d o n o b j e c t s o f t y p e M P e x p r e s s i o n , s u c h a s + a n d

* . T h e s e o p e r a t o r s a g a i n r e t u r n a n o b j e c t o f c l a s s M P e x p r e s s i o n , w h i c h i s a t r e e -

s t r u c t u r e r e p r e s e n t i n g t h e o p e r a t i o n a n d i t s o p e r a n d s . A n M P e x p r e s s i o n c a n a l s o

t a k e t h e f o r m o f a n u m e r i c a l c o n s t a n t , s o t h a t n u m b e r s c a n b e m i x e d w i t h v a r i a b l e s

i n e x p r e s s i o n s .

M P e x p r e s s i o n s a r e u s e d t o s p e c i f y o b j e c t i v e v a l u e s a n d c o n s t r a i n t s . A c o n s t r a i n t

i s r e p r e s e n t e d b y a n o b j e c t o f c l a s s M P c o n s t r a i n t . T h e r e l a t i o n a l o p e r a t o r s < = ,

5


6/20

= = a n d > = a r e d e n e d t o t a k e t w o o b j e c t s o f t y p e M P e x p r e s s i o n a n d r e t u r n a n

M P c o n s t r a i n t . E x a m p l e s o f t h i s w e r e s e e n i n F i g u r e 2 .

F i n a l l y , a c o m p l e t e o p t i m i z a t i o n m o d e l c o n s i s t i n g o f a n o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d a

c o n s t r a i n t s e t i s r e p r e s e n t e d b y t h e c l a s s M P m o d e l . T h e p r i m a r y o p e r a t i o n s o n a n

M P m o d e l a r e i n c l u s i o n o f c o n s t r a i n t s a n d a n o b j e c t i v e f u n c t i o n , a n d t h e f u n c t i o n s

m a x i m i z e ( ) , m i n i m i z e ( ) a n d s o l v e ( ) . T h e s o l v e ( ) f u n c t i o n d o e s n o t u s e a n y

o b j e c t i v e e x p r e s s i o n , b u t j u s t n d s a n y f e a s i b l e p o i n t . T h e s e f u n c t i o n s i n t e r f a c e w i t h

s t a n d a r d L P o r N L P s o l v e r s , a l t h o u g h o n l y a n L P s o l v e r i s p r e s e n t l y a v a i l a b l e .

3 . 2 M o d e l i n g i n C + +

T h e i n c l u s i o n o f t h e s e d a t a t y p e s i n t o a C + + p r o g r a m c a n b e u s e d t o a p p r o x i m a t e

s o m e o f t h e f a c i l i t i e s f o r m o d e l i n g o e r e d b y d e d i c a t e d m o d e l i n g l a n g u a g e s . H a v i n g

t o w o r k w i t h i n C + + c a r r i e s s o m e c o s t s w i t h i t . F o r e x a m p l e , i t i s s i g n i c a n t l y h a r d e r

t o l e a r n C + + t h a n , f o r i n s t a n c e , G A M S o r A M P L , a n d w h i l e a m o d e l i n g s y s t e m

c a n g i v e r e a s o n a b l e e r r o r m e s s a g e s w h e n m i s t a k e s a r e m a d e | b e c a u s e i t h a s s o m e

b u i l t - i n k n o w l e d g e a b o u t t h e s e m a n t i c s o f m o d e l i n g | t h e e r r o r m e s s a g e s f r o m C + +

c o m p i l e r s a r e u s u a l l y q u i t e c r y p t i c . R u n - t i m e e r r o r s s u c h a s d i v i s i o n s w i t h z e r o ,

w h i c h m o d e l i n g s y s t e m s c a t c h g r a c e f u l l y , t y p i c a l l y a b o r t s t h e C + + r u n w i t h h a r d l y

a n y e x p l a n a t i o n . H e n c e , t h e M P l i b r a r y i s n o t s u i t a b l e f o r t h e c a s u a l m o d e l e r w h o

n e e d s t o s o l v e o n l y a f e w , r e l a t i v e l y s i m p l e m o d e l s .

H o w e v e r , w h e n t h e n e e d a r i s e s f o r s o l v i n g c o m p l e x m o d e l s , e s p e c i a l l y w i t h s t r u c -

t u r e s w h i c h c a n n o t e a s i l y b e e x p r e s s e d a l g e b r a i c a l l y , o r w h o s e s o l u t i o n r e q u i r e s i n -

t e r a c t i o n w i t h t h e o p e r a t i n g e n v i r o n m e n t , m o d e l i n g w i t h i n C + + b r i n g s a n u m b e r o f

a d v a n t a g e s . F i r s t , t h e p r o g r a m m e r h a s a l l t h e e x i b i l i t y o f a p r o g r a m m i n g l a n g u a g e ,

i n c l u d i n g t h e a b i l i t y t o w r i t e s u b r o u t i n e s t o m a n i p u l a t e m o d e l s o r m o d e l c o m p o n e n t s

( v a r i a b l e s e t c . ) o r d a t a , t o i n t e r f a c e w i t h t h e o p e r a t i n g s y s t e m , f o r i n s t a n c e t o r e a d

a n d w r i t e d a t a o r p r e s e n t g r a p h i c s , o r t o c a l l e x t e r n a l \ b l a c k - b o x " s u b r o u t i n e s . S e c -

o n d , a l t h o u g h e v e r y r u n o f a m o d e l i n v o l v e s c o m p i l a t i o n a n d l i n k i n g , w h i c h m a y b e

s l o w c o m p a r e d t o t h e s p e e d w i t h w h i c h a m o d e l i n g s y s t e m p r o c e s s e s a m o d e l l e ,

t h e r e s u l t i n g e x e c u t a b l e p r o g r a m m a y r u n a t s i g n i c a n t l y h i g h e r s p e e d s , e s p e c i a l l y

i f t h e m o d e l i n g s y s t e m u s e s i n t e r p r e t e d c o d e . T h i s c a n m a k e a s i g n i c a n t d i e r e n c e

i n c a s e s w h e r e t h e s a m e m o d e l i s e x e c u t e d r e p e a t e d l y o n d i e r e n t p r o b l e m i n s t a n c e s ,

e . g . , a s p a r t o f a n o p e r a t i o n a l s y s t e m , o r w h e r e t h e d a t a p r o c e s s i n g w i t h i n t h e m o d e l

( o r m o d e l s e t u p ) i s c o m p u t a t i o n a l l y i n t e n s i v e .

T h e u s e o f a l g e b r a i c m o d e l i n g l a n g u a g e s t e n d s t o f a v o r a c o n c i s e a n d c o m p a c t

m o d e l r e p r e s e n t a t i o n , w h e r e t h e m o d e l f o r m u l a t i o n c a n ( a n d s h o u l d ) b e i n d e p e n d e n t

o f t h e a c t u a l p r o b l e m i n s t a n c e t o b e s o l v e d , s u c h a s t h e n u m b e r o f v a r i a b l e s a n d

c o n s t r a i n t s , a n d t h e a c t u a l d a t a v a l u e s . T h e m o d e l f o r m u l a t i o n i s a l s o i n d e p e n d e n t

o f w h i c h s o l v e r w i l l u l t i m a t e l y s o l v e t h e p r o b l e m .

T h e s e h i g h l y d e s i r a b l e p r o p e r t i e s o f a m o d e l i n g s y s t e m , a s s u m m a r i z e d b y F o u r e r

1 9 8 3 ] , a r e p r e s e n t l y o n l y p a r t l y s u p p o r t e d b y t h e C + + c l a s s l i b r a r y , a n d t o s o m e

6


7/20

e x t e n d a r e a m a t t e r o f p r o g r a m m i n g s t y l e w h i c h m u s t b e a p p l i e d c o n s c i o u s l y . I n d e -

p e n d e n c e b e t w e e n t h e f o r m a l m o d e l f o r m u l a t i o n | a l g e b r a i c o r n o t | a n d a s p e c i c

p r o b l e m i n s t a n c e ' s d i m e n s i o n a n d d a t a c a n i n s i m p l e c a s e s b e a c h i e v e d i n t h e C + +

s y s t e m b y k e e p i n g i n p u t r o u t i n e s a n d m o d e l s p e c i c a t i o n s e p a r a t e , a n d u s i n g d y n a m i c

a r r a y s , a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 . I n t h e g e n e r a l c a s e , h o w e v e r , w e r e c o g n i z e t h a t m u c h

m o r e p o w e r f u l c o n c e p t s a n d m e t h o d s a r e n e e d e d . F o r e x a m p l e , i t w o u l d b e d e s i r a b l e

t o h a v e a l l d a t a i n s t a n c e s , v a r i a b l e s e t c . i n d e x e d b y s e t s , t h e s i z e a n d s t r u c t u r e o f

w h i c h c o u l d i n t u r n b e d e t e r m i n e d a t r u n - t i m e , f o r e a c h p r o b l e m i n s t a n c e . T h e r e i s

n o c o n c e p t o f s e t i n C + + a n d a l l a r r a y s a r e i n d e x e d , u s i n g i n t e g e r s , f r o m 0 t o s o m e

u p p e r b o u n d . T h e d e s i g n o f e x i b l e c l a s s e s t o r e p r e s e n t s e t s , p r e f e r a b l y s p a r s e a n d

o f m u l t i p l e d i m e n s i o n s , w h i c h c o u l d t h e n b e u s e d t o i n d e x m u l t i d i m e n s i o n a l a r r a y s

o f m o d e l c o m p o n e n t s , i s u n d e r c u r r e n t i n v e s t i g a t i o n . A t a m i n i m u m , i t s h o u l d b e

p o s s i b l e t o u s e s p a r s e i n t e g e r s e t s f o r i n d e x i n g , a t l e a s t i n o n e d i m e n s i o n , a n d t o u s e

v e c t o r o p e r a t i o n s s u c h a s i n n e r p r o d u c t s t o a p p r o x i m a t e a n a t u r a l , a l g e b r a i c n o t a t i o n .

S t e p s t o w a r d s t h i s g o a l w i l l b e p r e s e n t e d i n S e c t i o n 4 .

I n d e p e n d e n c e b e t w e e n m o d e l s p e c i c a t i o n a n d s o l v e r , o n t h e o t h e r h a n d , p r e s e n t s

n o s e r i o u s p r o b l e m . A s i l l u s t r a t e d i n o u r e x a m p l e s , t h e s o l u t i o n o f a m o d e l r e q u i r e s

t h e c a l l o f o n e o f t h e o p t i m i z a t i o n f u n c t i o n s . T h e s e c a n i n t u r n i n t e r f a c e w i t h a n y

a v a i l a b l e s o l v e r s u i t a b l e f o r t h e p r o b l e m a t h a n d . T h e s o l v e r c a n e i t h e r b e e x t e r n a l

( a s i n G A M S ) , i n w h i c h c a s e a p r o b l e m r e p r e s e n t a t i o n n e e d s t o b e w r i t t e n t o s o m e

c o m m o n a r e a o f m e m o r y o r t h e l e s y s t e m , a n d a s y s t e m c a l l b e i s s u e d t o i n v o k e t h e

s o l v e r , o r i t c a n b e a s u b r o u t i n e w h i c h i s l i n k e d i n t o t h e s y s t e m . T h e l a t t e r m e t h o d

w a s u s e d t o c o n n e c t t h e c l a s s l i b r a r y t o t h e L O Q O s o l v e r b y V a n d e r b e i a n d C a r p e n t e r

1 9 9 3 ] , f o r L P s , a n d t o a s p e c i a l i z e d z e r o - o n e m i n i m a x s o l v e r , w h i c h i s c u r r e n t l y b e i n g

d e v e l o p e d f o r t h e p u r p o s e o f s o l v i n g m i x e d - b i n a r y l i n e a r p r o g r a m s t h r o u g h a g e n e r i c

C + + i m p l e m e n t a t i o n o f B e n d e r s d e c o m p o s i t i o n ( S e e n e x t S e c t i o n ) .

3 . 3 E x t e n d i n g a n d S p e c i a l i z i n g t h e L i b r a r y

O n e o f t h e p r i n c i p a l a d v a n t a g e s o f C + + o v e r s t a n d a r d m o d e l i n g l a n g u a g e s i s t h a t

i t a l l o w s t h e u s e o f e x i s t i n g c l a s s e s a n d o b j e c t s a s b u i l d i n g b l o c k s t o c r e a t e m o r e

g e n e r a l o r s p e c i a l i z e d s t r u c t u r e s . W e i l l u s t r a t e t h i s e x i b i l i t y w i t h t w o e x a m p l e s :

F i r s t , w e s h o w h o w t h e M P l i b r a r y c l a s s e s c a n b e s p e c i a l i z e d t o c r e a t e a n e n v i r o n m e n t

f o r t h e s p e c i c a t i o n a n d s o l u t i o n o f n e t w o r k m o d e l s . S e c o n d , w e i l l u s t r a t e h o w t h e

c a p a b i l i t i e s o f t h e l i b r a r y c a n b e e x t e n d e d b y o u t l i n i n g h o w a g e n e r a l i m p l e m e n t a t i o n

o f a d e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h m c a n b e w r i t t e n i n a p r o b l e m - i n d e p e n d e n t w a y , u s i n g t h e

b u i l d - i n s o l v e r s a s b u i l d i n g b l o c k s .

T h e r s t e x a m p l e s h o w s t h e s p e c i a l i z a t i o n o f t h e M P c l a s s e s t o n e t w o r k m o d e l -

i n g . T h e c u s t o m i z a t i o n c o d e i s s h o w n i n F i g u r e 3 . W e d e n e c l a s s e s t o r e p r e s e n t

n o d e s a n d a r c s o f t h e n e t w o r k u s i n g t h e e x i s t i n g c o n s t r a i n t a n d v a r i a b l e c l a s s e s , r e -

s p e c t i v e l y . T h e c l a s s N e t w o r k n o d e i s d e n e d a s a s u b - c l a s s o f t h e e x i s t i n g c l a s s

M P c o n s t r a i n t , a n o t h e r c l a s s N e t w o r k a r c a s a s u b - c l a s s o f M P v a r i a b l e , a n d -

7


8/20

/ / D e f i n i n g n e t w o r k d a t a t y p e s ( n o d e s , a r c s ) u s i n g e x i s t i n g c l a s s e s .


c l a s s N e t w o r k _ n o d e : p u b l i c M P _ c o n s t r a i n t {

p u b l i c :

N e t w o r k _ n o d e ( ) / / C o n s t r a i n t s a r e e q u a l i t y c o n s t r a i n t s b y d e f a u l t :

{ c o n s t r a i n t _ t y p e = e q ; } ;

} ;

c l a s s N e t w o r k _ a r c : p u b l i c M P _ v a r i a b l e {

p u b l i c :

v o i d c o n n e c t s ( N e t w o r k _ n o d e & f r o m _ n o d e , N e t w o r k _ n o d e & t o _ n o d e )

{

/ / A d d t h i s a r c t o b a l a n c e c o n s t r a i n t s o f f r o m - a n d t o - n o d e .

/ / T h e e x p r e s s i o n ' * t h i s ' r e f e r s t o t h e a r c o b j e c t f o r w h i c h

/ / t h e ' c o n n e c t s ' f u n c t i o n w a s c a l l e d .

f r o m _ n o d e . r h s + = * t h i s ;

t o _ n o d e . l h s + = * t h i s ;

} ;

} ;

c l a s s N e t w o r k _ m o d e l : p u b l i c M P _ m o d e l { } ;

F i g u r e 3 : n e t w o r k . h : D e n i n g c l a s s e s t o r e p r e s e n t t h e n o d e s a n d a r c s o f n e t w o r k

m o d e l s .

8


9/20

/ / D e f i n e a n d s o l v e a g e n e r i c n e t w o r k m o d e l .

# i n c l u d e " n e t w o r k . h "

v o i d m a i n ( )

{ i n t i , n u m _ n o d e s , n u m _ a r c s , * f r o m _ n o d e , * t o _ n o d e ;

d o u b l e * s u p p l y , * c o s t ;

r e a d _ n e t w o r k ( n u m _ n o d e s , n u m _ a r c s , f r o m _ n o d e , t o _ n o d e , s u p p l y , c o s t ) ;

a r r a y < N e t w o r k _ n o d e > n o d e ( n u m _ n o d e s ) ;

a r r a y < N e t w o r k _ a r c > a r c ( n u m _ a r c s ) ;

N e t w o r k _ m o d e l n e t ;

/ / D e f i n e n e t w o r k t o p o l o g y :

f o r ( i = 1 ; i < = n u m _ a r c s ; i + + )

a r c i ] . c o n n e c t s ( n o d e f r o m _ n o d e i ] ] , n o d e t o _ n o d e i ] ] ) ;

/ / A d d s u p p l i e s t o r i g h t - h a n d s i d e s o f n o d e s ( d e m a n d s a r e n e g a t i v e ) :

f o r ( i = 1 ; i < = n u m _ n o d e s ; i + + ) n o d e i ] . r h s + = s u p p l y i ] ;

/ / S e t u p t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n :

f o r ( i = 1 ; i < = n u m _ a r c s ; i + + ) n e t . o b j e c t i v e + = c o s t i ] * a r c i ] ;

/ / T h e m o d e l c o n s i s t s o f a l l t h e n o d e s :

f o r ( i = 1 ; i < = n u m _ n o d e s ; i + + ) n e t . s u b j e c t _ t o ( n o d e i ] ) ;

/ / F i n a l l y , s o l v e t h e m o d e l :

n e t . m i n i m i z e ( ) ;

}

F i g u r e 4 : E x a m p l e o f t h e u s e o f t h e s i m p l e n e t w o r k c l a s s e s t o e x p r e s s a g e n e r i c

n e t w o r k m o d e l i n t e r m s o f n o d e s a n d a r c s . T h e r o u t i n e r e a d n e t w o r k i n i t i a l i z e s

i t s p a r a m e t e r s w i t h t h e n e t w o r k s i z e , t o p o l o g y a n d o t h e r d a t a ; i t s d e n i t i o n i s n o t

s h o w n . T h e d e c l a r a t i o n s a r r a y < . . . > d e c l a r e d y n a m i c a r r a y s o f t h e t y p e s p e c i e d

b e t w e e n t h e b r a c k e t s . N o t e t h a t t h i s s p e c i c a t i o n i s c o m p l e t e l y i n d e p e n d e n t o f t h e

s p e c i c p r o b l e m i n s t a n c e t o b e s o l v e d , a n d o f t h e s o l v e r u s e d .

9


10/20

n a l l y a c l a s s N e t w o r k m o d e l a s a s u b - c l a s s o f M P m o d e l . N e w c l a s s e s d e n e d i n t h i s

w a y i n h e r i t a l l t h e p r o p e r t i e s o f t h e i r p a r e n t c l a s s e s , a n d c a n b e u s e d w h e r e v e r t h e

p a r e n t c l a s s e s c a n . F o r i n s t a n c e , N e t w o r k n o d e s a r e ( s p e c i a l i z a t i o n s o f ) c o n s t r a i n t s ,

a n d h a v e c o n s t r a i n t t y p e s a n d d u a l s a s s o c i a t e d w i t h t h e m , N e t w o r k a r c s a r e v a r i -

a b l e s w h i c h c a n b e u s e d i n o w c o n s e r v a t i o n c o n s t r a i n t s o f a r c s , a n d a N e t w o r k m o d e l

a u t o m a t i c a l l y h a s a n o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d t h e f u n c t i o n s m a x i m i z e ( ) , m i n i m i z e ( )

a n d s o l v e ( ) , a n d a c c e p t s N e t w o r k n o d e s a s c o n s t r a i n t s .

T h e d e n i t i o n o f N e t w o r k n o d e s t a t e s t h a t t h e d e f a u l t c o n s t r a i n t t y p e i s e q u a l i t y .

A N e t w o r k a r c h a s a f u n c t i o n c o n n e c t s w h i c h i s c a l l e d t o s p e c i f y t h e n o d e s t o w h i c h

t h e a r c i s i n c i d e n t , a n d w h i c h m o d i e s t h e b a l a n c e c o n s t r a i n t s o f t h e t w o n o d e s

t o t a k e t h e a r c ' s o w i n t o a c c o u n t . T h i s i s d o n e b y a d d i n g t h e a r c v a r i a b l e t o t h e

c o n s t r a i n t s ' r i g h t - h a n d a n d l e f t - h a n d s i d e s , r h s a n d l h s . T h e c l a s s N e t w o r k m o d e l i n

t h i s e x a m p l e a d d s n o t h i n g t o t h e d e n i t i o n o f M P m o d e l , b u t c o u l d d i e r , f o r i n s t a n c e

i n h a v i n g a n e t w o r k s o l v e r a s t h e d e f a u l t s o l v e r .

A s a r e s u l t o f t h e s e d e n i t i o n s , t h e u s e r i s n o w a b l e t o t h i n k i n t e r m s o f n o d e s

a n d a r c s . T h e n e t w o r k t o p o l o g y n e e d s t o b e d e n e d t o t h e s y s t e m , b u t t h e f a c t t h a t

n e t w o r k m o d e l s i m p l i c i t l y h a v e b a l a n c e c o n s t r a i n t s f o r e a c h n o d e i s c a p t u r e d o n c e

a n d f o r a l l i n t h e d e n i t i o n o f t h e N e t w o r k

n o d e c l a s s , s o n o ( e x p l i c i t ) c o n s t r a i n t s a r e

n e e d e d .

F o r c o m p l e t e n e s s , a n e x a m p l e o f t h e u s e o f t h e s e n e t w o r k c l a s s e s i s g i v e n i n F i g -

u r e 4 , w h i c h i m p l e m e n t s a g e n e r i c m o d e l f o r p u r e n e t w o r k p r o b l e m s . W h i l e t h i s

d e n i t i o n o f n e t w o r k m o d e l i n g c o n c e p t s m a y b e t o o s i m p l i s t i c f o r r e a l i s t i c u s e , i t

i l l u s t r a t e s t h e p o i n t t h a t C + + a l l o w s e x t e n s i v e c u s t o m i z a t i o n a n d r e u s e o f e x i s t i n g

c l a s s l i b r a r i e s t o m e e t s p e c i c u s e r s ' n e e d s . W e m e n t i o n t h a t t h e l a n g u a g e A M P L

a l s o h a s s p e c i a l i z e d f a c i l i t i e s f o r h a n d l i n g n e t w o r k m o d e l s , b u t t h e y a r e a n i n t e g r a l

p a r t o f t h e l a n g u a g e , n o t a u s e r - d e n e d e x t e n s i o n .

O u r s e c o n d e x a m p l e s h o w s h o w o n e c a n u s e s u b r o u t i n e s i n C + + t o e n c a p s u l a t e

a n d g e n e r a l i z e c o m m o n o p e r a t i o n s , j u s t a s i n a n y o t h e r p r o g r a m m i n g l a n g u a g e . W e

w i l l o u t l i n e h o w o n e c o u l d w r i t e a r o u t i n e t o i m p l e m e n t a d e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h m

i n a q u i t e g e n e r a l f a s h i o n . T h e u s e r s h o u l d b e a b l e t o s e t u p a m o d e l | f o r i n s t a n c e ,

a m i x e d - i n t e g e r m o d e l | a n d t h e n c a l l t h i s d e c o m p o s i t i o n r o u t i n e w i t h t h e m o d e l

a s a p a r a m e t e r t o h a v e i t s o l v e d . T h i s s h o u l d b e c o n t r a s t e d w i t h , f o r i n s t a n c e ,

G A M S . I n o r d e r t o s o l v e a m o d e l b y d e c o m p o s i t i o n i n G A M S , t h e m o d e l e r n e e d s t o

s p e c i f y t h e c o m p l e t e a l g o r i t h m f o r h i s / h e r s p e c i c p r o b l e m , b y s e t t i n g u p m a s t e r a n d

s u b p r o b l e m d e n i t i o n s , a n d i m p l e m e n t a n e x p l i c i t l o o p w h i c h u p d a t e s t h e s e p r o b l e m s

a p p r o p r i a t e l y , w h i l e c h e c k i n g f o r c o n v e r g e n c e . U n t i l t h e l a t e s t v e r s i o n o f G A M S , 2 . 2 5 ,

t h i s w a s f u r t h e r c o m p l i c a t e d b y t h e l a c k o f a s u i t a b l e l o o p i n g f a c i l i t y . U s u a l l y , t h e

s t r u c t u r e o f t h e u n d e r l y i n g m o d e l i s o b s c u r e d b y t h i s r e w r i t i n g p r o c e s s , a n d i f i t

c h a n g e s , o n l y a n e x p e r t ( u s u a l l y t h e o r i g i n a l m o d e l e r ) c a n c h a n g e t h e m o d e l . T h e

p r o b l e m c l e a r l y i s t h e d i c u l t y i n s e p a r a t i n g t h e m o d e l w h i c h i s s o l v e d , f r o m t h e

a l g o r i t h m | a s e x p r e s s e d w i t h i n t h e m o d e l i n g s y s t e m | f o r s o l v i n g i t .

W e o u t l i n e i n F i g u r e 5 h o w a g e n e r a l ( i . e . , m o d e l - i n d e p e n d e n t ) i m p l e m e n t a t i o n

1 0


11/20


12/20

o f B e n d e r s d e c o m p o s i t i o n c a n b e w r i t t e n . T h e F i g u r e s h o w s t h e c l e a r s e p a r a t i o n

b e t w e e n t h e m o d e l s p e c i c a t i o n i n t h e m a i n p r o g r a m , a n d t h e a p p l i c a t i o n o f t h e

d e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h m t o s o l v e i t . H e n c e , t h e d e c o m p o s i t i o n r o u t i n e i s i m m u n e

t o c h a n g e s i n t h e m o d e l , a n d v i c e - v e r s a . T h e d e c o m p o s i t i o n r o u t i n e c o u l d e a s i l y b e

e q u i p p e d w i t h o p t i o n a l p a r a m e t e r s t o i n d i c a t e w h i c h m a s t e r a n d s u b p r o b l e m s o l v e r s

t h e u s e r w o u l d l i k e t o u s e . A r e c e n t l y d e v e l o p e d i m p l e m e n t a t i o n o f B e n d e r s d e -

c o m p o s i t i o n w i t h i n t h e C + + s y s t e m , f o r u s e i n s o l v i n g m i x e d - b i n a r y L P s , u s e s t h e

L O Q O s o l v e r t o s o l v e t h e L P s u b p r o b l e m s , a n d a s p e c i a l i z e d b i n a r y m i n - m a x s o l v e r

t o s o l v e t h e m a s t e r p r o b l e m s . T h e a c t u a l i m p l e m e n t a t i o n , w h i c h i s d o c u m e n t e d i n a

f o r t h c o m i n g w o r k i n g p a p e r , i s t o o l o n g f o r t h i s p a p e r , b u t f o l l o w s t h e a b o v e o u t l i n e

c l o s e l y .

4 A l g e b r a i c N o t a t i o n a n d S p a r s e A r r a y s

O n e o f t h e p r i m a r y a d v a n t a g e s o f m o d e l i n g l a n g u a g e s i s t h e u s e o f a l g e b r a i c n o t a t i o n ,

w h i c h p r o v i d e s a v e r y c o m p a c t w a y t o e x p r e s s o p e r a t i o n s o n v e c t o r s a n d m a t r i c e s ,

s u c h a s m u l t i p l i c a t i o n o r a d d i t i o n . I n o r d e r t o i n t r o d u c e s u c h c o n v e n i e n t n o t a t i o n s i n

C + + w e r s t n e e d t o d e n e a s u i t a b l e n o t i o n o f v e c t o r s a n d m a t r i c e s , w i t h e l e m e n t s

c o n s i s t i n g o f n u m b e r s , v a r i a b l e s , e t c . W h i l e C + + a l l o w s t h e d e n i t i o n o f a r r a y s

1

o f

a n y t y p e , t h e r e a r e n o o p e r a t o r s a s s o c i a t e d w i t h t h e m ( e x c e p t i n d e x a t i o n ) , a n d i t i s

n o t p o s s i b l e t o d e n e o p e r a t o r s o n s t a n d a r d a r r a y s i n C + + . I n s t e a d , i t i s n e c e s s a r y t o

d e n e c l a s s e s t o i m p l e m e n t v e c t o r o b j e c t s . S i n c e t h e s e c l a s s e s i d e a l l y s h o u l d a l l o w t h e

d e n i t i o n o f v e c t o r s o f a r b i t r a r y t y p e , t h e y a r e n a t u r a l l y d e n e d a s t e m p l a t e c l a s s e s ,

i . e . , c l a s s e s w h i c h t a k e t y p e p a r a m e t e r s ( s e e , e . g . , E l l i s a n d S t r o u s t r u p 1 9 9 0 ] ) . W e

d e s c r i b e h e r e h o w v e c t o r s a r e i m p l e m e n t e d i n t h e C + + c l a s s l i b r a r y , a n d t h e s i m p l e

o p e r a t i o n s w e h a v e d e n e d , a n d h o w t h i s l e a d s t o a c o n v e n i e n t n o t a t i o n f o r s i m p l e

v e c t o r e x p r e s s i o n s , n o t u n l i k e t h a t o e r e d b y s o m e m o d e l i n g l a n g u a g e s . T h e s e c l a s s e s

a n d o p e r a t o r s c o u l d t h e n b e u s e d a s b u i l d i n g b l o c k s f o r d e n i n g m a t r i x o b j e c t s , b u t

f o r t h i s p a p e r w e h a v e l i m i t e d o u r s e l v e s t o v e c t o r s .

A v e c t o r , a s a n a b s t r a c t o b j e c t , i s a w a y t o s t o r e o b j e c t s b y i n t e g e r i n d i c e s , s o t h e y

c a n l a t e r b e r e t r i e v e d . T h e s i m p l e s t i m p l e m e n t a t i o n o f a v e c t o r u s e s x e d b o u n d s ,

a n d a l l o c a t e s s p a c e f o r e a c h e l e m e n t w i t h i n d e x w i t h i n t h e b o u n d s . F o r u s e w i t h

m a t h e m a t i c a l p r o g r a m s , s u c h d e n s e d a t a s t r u c t u r e s a r e i n s u c i e n t : T h e r e a r e m a n y

c a s e s w h e r e o n l y v e r y f e w o f t h e p o t e n t i a l e l e m e n t s o f a v e c t o r a r e a c t u a l l y u s e d , a n d t o

a l l o c a t e s p a c e f o r a l l t h e p o t e n t i a l e l e m e n t s w i t h i n t h e i n d e x s p a c e w o u l d b e e x t r e m e l y

w a s t e f u l . A l s o , s u b s e q u e n t o p e r a t i o n s o n s u c h v e c t o r s c o u l d b e e x e c u t e d m u c h f a s t e r

i f i t w e r e k n o w n i n a d v a n c e w h i c h o n e s w e r e u n u s e d . H e n c e , a n i m p l e m e n t a t i o n o f

s p a r s e v e c t o r s i s n e e d e d .

W e i m p l e m e n t s p a r s e a r r a y s a s a t e m p l a t e c l a s s w h o s e p r i m a r y o p e r a t o r i s t h e

1

W e u s e t h e t e r m s a r r a y a n d v e c t o r i n t e r c h a n g e a b l y , a l t h o u g h a r r a y t e n d s t o b e a p r o g r a m m i n g

t e r m , a n d v e c t o r a m a t h e m a t i c a l t e r m .

1 2


13/20

i n d e x a t i o n o p e r a t o r , o p e r a t o r ] . T h e u n d e r l y i n g d a t a s t r u c t u r e i s a b a l a n c e d , b i -

n a r y t r e e , i n w h i c h s p a c e i s a l l o c a t e d o n l y t o e l e m e n t s w h i c h a r e r e f e r e n c e d t h r o u g h

t h e i n d e x a t i o n o p e r a t o r . I n i t i a l l y , t h e t r e e i s e m p t y , a n d i t g r o w s i n a b a l a n c e d w a y

w h e n e v e r a n e w e l e m e n t o f t h e v e c t o r o b j e c t i s r e f e r e n c e d ( T h e r e i s a l s o a w a y t o

r e m o v e e l e m e n t s , i n w h i c h c a s e t h e t r e e s h r i n k s w h i l e s t a y i n g b a l a n c e d ) . T h e p a r -

t i c u l a r v a r i a n t o f t r e e w e u s e i s t h e A V L - t r e e , A d e l s o n - V e l s k i i a n d L a n d i s 1 9 6 2 ] .

T h e s e t r e e s a l l o w a c c e s s ( i n c l u d i n g i n s e r t i o n a n d d e l e t i o n ) t o e l e m e n t s i n l o g a r i t h m i c

t i m e . W e h a v e m o d i e d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f A V L t r e e s f r o m W i r t h 1 9 7 6 ] t o a l l o w

s e q u e n t i a l a c c e s s t o a l l e l e m e n t s o f t h e s p a r s e v e c t o r , w h i c h i s n e e d e d t o e c i e n t l y

i m p l e m e n t a r i t h m e t i c o p e r a t o r s o n s u c h c l a s s e s . ( S e c t i o n 4 . 1 ) . O f c o u r s e , s i n c e t h e

u s e o f s p a r s e d a t a s t r u c t u r e s f o r s m a l l , o r d e n s e , a r r a y s i s n e c e s s a r i l y w a s t e f u l , t h e

i m p l e m e n t a t i o n s h o u l d i d e a l l y b e a b l e t o s w i t c h a u t o m a t i c a l l y b e t w e e n a d e n s e a n d

a s p a r s e r e p r e s e n t a t i o n . W e h a v e n o t i m p l e m e n t e d t h i s f a c i l i t y .

S p a r s e a r r a y s o f d o u b l e p r e c i s i o n n u m b e r s a n d M P v a r i a b l e s a r e d e c l a r e d u s i n g

t h e t y p e s s p a r s e a r r a y a n d M P v a r a r r a y

2

, r e s p e c t i v e l y . W e h a v e d e n e d t h e o p -

e r a t o r * f o r i n n e r p r o d u c t o n t h e s e t y p e s , a n d i l l u s t r a t e i n F i g u r e 6 t h e i r u s e . O f

c o u r s e , a d d i t i o n a l o p e r a t o r s , s u c h a s a d d i t i o n o r s u b t r a c t i o n , s h o u l d a l s o b e d e n e d

f o r a c o m p l e t e s y s t e m . T h e m o d e l s h o w n i s c o n c e r n e d w i t h c o n s t r u c t i n g a p o r t f o l i o

o f s t o c k s , s u c h t h a t t h e w e i g h e d a v e r a g e p o r t f o l i o ( \ b e t a " ) i s e q u a l t o 1 , a n d t h e

e x p e c t e d p o r t f o l i o r e t u r n i s m a x i m i z e d . T h e i n n e r p r o d u c t i s u s e d i n t h e d e n i t i o n

o f t h e m e e t b e t a c o n s t r a i n t , a n d i n t h e o b j e c t i v e .

A n o t h e r f a c i l i t y o f a l g e b r a i c n o t a t i o n i s t o w r i t e s u m m a t i o n s a n d s i m i l a r o p e r -

a t i o n s c o m p a c t l y . A l t h o u g h w e h a v e n o t y e t i n c o r p o r a t e d s u c h o p e r a t o r s i n t o t h e

s y s t e m , w e s h o w ( a l s o i n F i g u r e 6 ) h o w t h i s c o u l d b e d o n e , u s i n g t h e s u m m a t i o n

o p e r a t o r a s a n e x a m p l e . T h e r e s u l t i n g s u m m a t i o n o p e r a t o r i s u s e d i n t h e d e n i -

t i o n o f t h e s u m x c o n s t r a i n t . T h i s c o d e , w h i c h i s e x p l a i n e d b e l o w , i l l u s t r a t e s t h a t

u s e r - d e n e d o p e r a t i o n s c a n r e l a t i v e l y e a s i l y b e i n c o r p o r a t e d i n t o m o d e l s , w h i c h i s i n

c o n t r a s t w i t h m o s t m o d e l i n g l a n g u a g e s .

4 . 1 I t e r a t o r s

T h e u s e o f s p a r s e v e c t o r s i s i n d i s p e n s a b l e i n m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g , b u t r a i s e s

c e r t a i n p r o b l e m s w h e n w e t r y t o i n t r o d u c e o p e r a t i o n s o n s u c h o b j e c t s . T o c a l c u l a t e ,

f o r i n s t a n c e , t h e i n n e r p r o d u c t b e t w e e n t w o s p a r s e v e c t o r s , w e n e e d t o a c c e s s o n l y t h e

p r e v i o u s l y r e f e r e n c e d e l e m e n t s ( a s s u m i n g t h a t t h e n o n - r e f e r e n c e d e l e m e n t s c o r r e s p o n d

t o z e r o s ) . W i t h o u t w a n t i n g t o a c c e s s , o r s p e n d t i m e s k i p p i n g p a s t , e l e m e n t s w h i c h

a r e n o t p r e s e n t , h o w c a n t h i s b e d o n e ?

2

T h e s e t y p e s a r e t y p e d e f ' s f o r t h e t e m p l a t e d e n i t i o n s S p a r s e v e c t o r < d o u b l e > a n d

S p a r s e v e c t o r < M P v a r i a b l e > , w h e r e S p a r s e v e c t o r i s t h e t e m p l a t e v e c t o r c l a s s .

1 3


14/20

/ / S m a l l p o r t f o l i o m o d e l


M P _ e x p & s u m ( M P _ v a r _ a r r a y & x )

/ / D e f i n e a s u m m a t i o n f u n c t i o n

{

M P _ e x p & r e s u l t = * n e w M P _ e x p ; / / T o a c c u m u l a t e r e s u l t

I t e r a t o r X ( x ) ; / / T o i t e r a t e t h r o u g h x

w h i l e ( X . m o r e ( ) ) r e s u l t + = x X . c u r r e n t ( ) ] ;

r e t u r n r e s u l t ;

}

v o i d m a i n ( )

{

s p a r s e _ a r r a y e x p _ r e t , b e t a ;

d o u b l e t a r g e t _ b e t a = 1 . 0 ;

M P _ v a r _ a r r a y x ;

i n t N u m _ s t o c k s ;

r e a d _ d a t a ( N u m _ s t o c k s , e x p _ r e t , b e t a ) ;

f o r ( i n t i = 1 ; i < = N u m _ s t o c k s ; i + + )

x i ] . s e t _ u p p e r ( 0 . 2 5 ) ;

M P _ m o d e l p o r t f o l i o ;

M P _ c o n s t r a i n t m e e t _ b e t a = ( b e t a * x = = t a r g e t _ b e t a ) ,

s u m _ x = ( s u m ( x ) = = 1 ) ;

p o r t f o l i o . s u b j e c t _ t o ( m e e t _ b e t a , s u m _ x ) ;

p o r t f o l i o . m a x i m i z e ( e x p _ r e t * x ) ;

}

F i g u r e 6 : A n e x a m p l e o f t h e u s e o f s p a r s e a r r a y s . T h e m u l t i p l i c a t i o n o p e r a t o r *

o n a r r a y s i s t h e u s u a l i n n e r p r o d u c t . T h e r o u t i n e r e a d d a t a i n i t i a l i z e s N u m s t o c k s ,

e x p r e t a n d b e t a ; i t s d e n i t i o n i s n o t s h o w n . N o t h i n g i n t h e m o d e l d e p e n d s o n t h e

n u m b e r o f s t o c k s i n t h e u n i v e r s e .

1 4


15/20

d o u b l e o p e r a t o r * ( s p a r s e _ a r r a y & x , s p a r s e _ a r r a y & y )

{

A V L _ i t e r a t o r X ( x ) , Y ( y ) ;

B o o l x _ m o r e = X . m o r e ( ) , y _ m o r e = Y . m o r e ( ) ;

d o u b l e z ;

w h i l e ( x _ m o r e & & y _ m o r e )

i f ( ! x _ m o r e | | X . c u r r e n t ( ) > Y . c u r r e n t ( ) ) {

y _ m o r e = Y . m o r e ( ) ;

} e l s e

i f ( ! y _ m o r e | | Y . c u r r e n t ( ) > X . c u r r e n t ( ) ) {

x _ m o r e = X . m o r e ( ) ;

} e l s e {

z + = x X . c u r r e n t ( ) ] * y Y . c u r r e n t ( ) ] ;

x _ m o r e = X . m o r e ( ) ; y _ m o r e = Y . m o r e ( ) ;

}

r e t u r n z ;

}

F i g u r e 7 : I m p l e m e n t i n g i n n e r p r o d u c t s u s i n g i t e r a t o r s t o a c c e s s o n l y t h e a l l o c a t e d

e l e m e n t s o f s p a r s e a r r a y s w i t h o u t k n o w l e d g e o f t h e i r i n t e r n a l r e p r e s e n t a t i o n .

T o i l l u s t r a t e , c o n s i d e r t h i s s i m p l e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e i n n e r p r o d u c t o f t h e r e a l

a r r a y s x a n d y :

l o n g i ;

d o u b l e p r o d u c t = 0 ;

f o r ( i = 1 ; i < = L i m i t ; i + + )

p r o d u c t + = x i ] * y i ] ;

r e t u r n p r o d u c t ;

T h i s c o d e i s n e f o r d e n s e v e c t o r s , b u t i n t h e c a s e o f s p a r s e v e c t o r s s u e r s f r o m t w o

p r o b l e m s : F i r s t , e a c h a n d e v e r y e l e m e n t o f b o t h x a n d y b e t w e e n 1 a n d L i m i t a r e

a c c e s s e d ( a n d h e n c e , i n o u r i m p l e m e n t a t i o n , a l l o c a t e d s p a c e ) , a n d t h e m u l t i p l i c a t i o n s

t h e n e x e c u t e d . S e c o n d , t h i s c o d e r e q u i r e s k n o w l e d g e o f t h e b o u n d s ( d i m e n s i o n ) o f

t h e v e c t o r s , e v e n t h o u g h i t i s o f t e n n a t u r a l t o t h i n k o f s p a r s e v e c t o r s a s h a v i n g n o

p a r t i c u l a r b o u n d s a t a l l ( b e i n g \ b o u n d l e s s " ) .

A w a y a r o u n d t h e s e p r o b l e m s i s p r o v i d e d b y i t e r a t o r s . I t e r a t o r s a l l o w a c c e s s i n g

o n l y t h e e l e m e n t s w h i c h h a v e b e e n a l l o c a t e d , w i t h o u t k n o w l e d g e o f t h e i n t e r n a l i m -

p l e m e n t a t i o n o f t h e a r r a y . A n e x a m p l e o f t h e u s e o f i t e r a t o r s i s g i v e n i n F i g u r e 6 .

T h e d e c l a r a t i o n I t e r a t o r X ( x ) a s s o c i a t e s t h e i t e r a t o r X w i t h t h e s p a r s e a r r a y x

1 5


16/20

S u b s e q u e n t c a l l s o f i t e r a t o r f u n c t i o n X . m o r e ( ) r e t u r n s T r u e i f t h e r e a r e m o r e e l e -

m e n t s a l l o c a t e d i n x , a n d i n t h i s c a s e X . c u r r e n t ( ) r e t u r n s t h e i n d e x o f t h e n e x t

e l e m e n t . T h i s s o l u t i o n a l l o w s a c c e s s i n g o n l y t h e e l e m e n t s n e e d e d , a n d i s c o m p l e t e l y

i n d e p e n d e n t o f t h e d i m e n s i o n s o f t h e v e c t o r s .

A s a s o m e w h a t m o r e i n v o l v e d e x a m p l e , w e s h o w i n F i g u r e 7 t h e i m p l e m e n t a t i o n o f

t h e i n n e r p r o d u c t o p e r a t o r f o r s p a r s e a r r a y s , w h i c h i s d e n e d i n t h e M P l i b r a r y . T h e

r o u t i n e u s e s t w o i t e r a t o r s t o i t e r a t e t h r o u g h t h e t w o v e c t o r s , m a t c h i n g u p a l l o c a t e d

e l e m e n t s . T h e c o d e s h o w n i s f o r t h e c a s e o f d o u b l e p r e c i s i o n v e c t o r s , b u t i s i d e n t i c a l

f o r v e c t o r s w i t h e l e m e n t s o f a n y t y p e , a n d i s i m p l e m e n t e d a s a t e m p l a t e f u n c t i o n .

5 V a r i a b l e A l i a s i n g

I n m a n y m o d e l s i t i s c o n v e n i e n t t o b e a b l e t o r e f e r t o t h e s a m e v a r i a b l e b y m u l t i p l e

n a m e s . U n d e r t h e M P l i b r a r y , t h i s c a n b e a c h i e v e d b y a l i a s i n g v a r i a b l e s w i t h e a c h

o t h e r . A l i a s i n g d o e s n o t a p p e a r t o h a v e a d i r e c t c o u n t e r p a r t i n G A M S o r A M P L

3

( a l t h o u g h A M P L h a s a \ d e n e d v a r i a b l e " f e a t u r e ) .

T h e c o n c e p t o f h a v i n g m u l t i p l e n a m e s f o r t h e s a m e o b j e c t i s s u p p o r t e d b y C + +

i n t h e f o r m o f r e f e r e n c e v a r i a b l e s . I n t h e c o d e f r a g m e n t

i n t i , k ;

i n t & j = i ; / / N o w j i s t h e s a m e i n t e g e r v a r i a b l e a s i

j = 3 ;

i f ( i ! = 3 ) E r r o r ( ) ;

j i s d e n e d t o b e a s y n o n y m ( a l i a s ) f o r i . H o w e v e r , j w i l l a l w a y s b e a n a l i a s f o r

i ; t h e r e i s n o w a y l a t e r t o m a k e j a n a l i a s f o r k . F o r M P v a r i a b l e s w e n e e d m o r e

e x i b i l i t y .

A l i a s e s a r e a r r a n g e d w i t h t h e i s a l i a s o f ( ) f u n c t i o n :

M P _ v a r i a b l e x , y ;

x . i s _ a l i a s _ o f ( y ) ; / / N o w x i s t h e s a m e M P v a r i a b l e a s y

x . s e t _ u p p e r ( 1 0 . 3 ) ;

i f ( y . u p p e r ( ) ! = 1 0 . 3 ) E r r o r ( ) ;

A f t e r t h e c a l l o f i s a l i a s o f ( ) , t h e n a m e s x a n d y r e f e r t o t h e s a m e v a r i a b l e , a n d

t h e t w o c o n s t r a i n t s

x + y > = 1 0 ;

x + x > = 1 0 ;

a r e e q u i v a l e n t . W e g i v e a n e x a m p l e o f t h e u s e o f a l i a s i n g f r o m s t o c h a s t i c p r o g r a m -

m i n g .

3

O u r u s e o f t h e t e r m \ a l i a s " d o e s n o t h a v e a n y t h i n g t o d o w i t h t h e s e m a n t i c s o f t h e G A M S

A L I A S s t a t e m e n t .

1 6


17/20

a r r a y < M P _ v a r _ a r r a y > x ( N u m _ s c e n ) ;

a r r a y < M P _ c o n s t r a i n t > f l o w _ c o n s e r v a t i o n ( N u m _ s c e n ) ;

M P _ m o d e l T w o _ s t a g e _ s t o c h a s t i c ;

/ / E i t h e r i m p o s e n o n - a n t i c i p a t i v i t y c o n s t r a i n t s - - -

M P _ c o n s t r a i n t n o n _ a n t i c i p a t i v i t y N u m _ s c e n ] ;

f o r ( i = 1 ; i < = N u m _ v a r ; i + + )

i f ( i s _ f i r s t _ s t a g e ( i ) )

f o r ( s c e n = 2 ; s c e n < = N u m _ s c e n ; s c e n + + )

T w o _ s t a g e _ s t o c h a s t i c . s u b j e c t _ t o ( x s c e n ] i ] = = x 1 ] i ] ) ;

/ / - - - o r , a l t e r n a t i v e l y , a l i a s t h e f i r s t - s t a g e v a r i a b l e s :

f o r ( i = 1 ; i < = N u m _ v a r ; i + + )

i f ( i s _ f i r s t _ s t a g e ( i ) )

f o r ( s c e n = 2 ; s c e n < = N u m _ s c e n ; s c e n + + )

x s c e n ] i ] . i s _ a l i a s _ f o r ( x 1 ] i ] ) ;

F i g u r e 8 : C o d e f r a g m e n t s s h o w i n g a s p l i t - v a r i a b l e f o r m u l a t i o n o f a t w o - s t a g e , s t o c h a s -

t i c p r o g r a m . S o m e o f t h e v a r i a b l e s x a r e r s t - s t a g e , t h e r e s t a r e s e c o n d - s t a g e . E i -

t h e r n o n - a n t i c i p a t i v i t y c o n s t r a i n t s o r a l i a s i n g c a n b e u s e d t o e n f o r c e e q u a l i t y a m o n g

r s t - s t a g e v a r i a b l e s . T h e d e c l a r a t i o n a r r a y < M P v a r a r r a y > x N u m s t o c k ] i n v o k e s a

t e m p l a t e c l a s s a r r a y , a n d d e c l a r e s x t o b e a ( d e n s e ) a r r a y o f s p a r s e a r r a y s o f v a r i a b l e s ,

i . e . , a t w o - d i m e n s i o n a l a r r a y .

5 . 1 F o r m u l a t i o n o f S t o c h a s t i c P r o g r a m s

A t w o - s t a g e , s t o c h a s t i c p r o g r a m m i n g m o d e l c a n b e v i e w e d a s a s e q u e n c e o f m o d e l s ,

c a l l e d s c e n a r i o s u b - p r o b l e m s , w h i c h u s u a l l y h a v e t h e s a m e s t r u c t u r e , b u t w h e r e t h e

d a t a m a y d i e r a m o n g s c e n a r i o s . T h e s c e n a r i o s u b - p r o b l e m s a r e n o t c o m p l e t e l y

s e p a r a t e , b u t s h a r e s o m e s u b s e t o f t h e v a r i a b l e s , c a l l e d t h e r s t - s t a g e v a r i a b l e s .

T h e r s t - s t a g e v a r i a b l e s , w h i c h r e p r e s e n t d e c i s i o n s t o b e m a d e u p - f r o n t , b e f o r e

r e a l i z i n g o n e o f s e v e r a l p o s s i b l e f u t u r e e v e n t s ( s c e n a r i o s ) , a r e l o g i c a l l y i d e n t i c a l a c r o s s

a l l s c e n a r i o s u b - p r o b l e m s , s i n c e t h e r s t - s t a g e d e c i s i o n m u s t b e m a d e w i t h o u t f o r e -

s i g h t . A c o m m o n w a y t o m o d e l t w o - s t a g e , s t o c h a s t i c p r o g r a m s i s b y v a r i a b l e - s p l i t t i n g ,

i . e . , g i v i n g e a c h s c e n a r i o s u b - p r o b l e m i t s o w n c o p y o f t h e r s t - s t a g e v a r i a b l e s , a n d

t h e n a d d i n g ( n o n - a n t i c i p a t i v i t y ) c o n s t r a i n t s i m p o s i n g e q u a l i t y a m o n g t h e s e p a r a t e

c o p i e s o f t h e r s t - s t a g e v a r i a b l e s .

F i g u r e 8 s h o w s a s t o c h a s t i c m o d e l i n t h e s p l i t - v a r i a b l e f o r m u l a t i o n . T h i s f o r m u l a -

t i o n i s u s e f u l b e c a u s e i t a l l o w s a u n i f o r m t r e a t m e n t o f r s t - a n d s e c o n d - s t a g e v a r i a b l e s

w i t h i n e a c h s c e n a r i o , a s i n t h e g u r e , w h e r e x c o n s i s t s o f b o t h r s t - a n d s e c o n d - s t a g e

1 7


18/20

v a r i a b l e s .

A l i a s i n g p r o v i d e s a w a y t o a c h i e v e t h e s a m e n o t a t i o n a l c o n v e n i e n c e w i t h o u t h a v -

i n g t o i n t r o d u c e m u l t i p l e c o p i e s o f t h e r s t - s t a g e v a r i a b l e s o r n o n - a n t i c i p a t i v i t y c o n -

s t r a i n t s , a s a l s o s h o w n i n t h e F i g u r e . T h e v a r i a b l e s n a m e s x 1 ] i ] , x 1 ] i ] , . . . ,

x N u m s c e n ] i ] a r e a l i a s e d s u c h t h a t t h e y f o r e a c h i r e f e r t o t h e s a m e v a r i a b l e

a c r o s s s c e n a r i o s . I n e e c t , w e s t i l l u s e t h e c o n v e n i e n t s p l i t - v a r i a b l e f o r m u l a t i o n , b u t

t h e m o d e l i m p l e m e n t a t i o n c o n t a i n s n o r e d u n d a n c y .

M o r e g e n e r a l l y , v a r i a b l e a l i a s i n g c a n b e u s e d a s a m o d e l i n g t o o l f o r c o n n e c t i n g

s e p a r a t e ( s u b - ) m o d e l s w i t h i n a l a r g e r s y s t e m o f m o d e l s . S e p a r a t e m o d e l s , f o r i n -

s t a n c e f o r m a n a g i n g i n v e n t o r i e s o f r a w m a t e r i a l , p r o d u c t i o n , a n d s h i p p i n g , c o u l d b e

m a i n t a i n e d i n d e p e n d e n t l y , b u t b y a l i a s i n g k e y v a r i a b l e s b e s o l v e d a s a l a r g e , c o m -

b i n e d m o d e l . G e o r i o n 1 9 9 0 ] g i v e s a n o t h e r e x a m p l e w h e r e a t r a n s s h i p m e n t m o d e l i s

h i e r a r c h i c a l l y d e c o m p o s e d i n t o t w o t r a n s p o r t a t i o n m o d e l s . T h i s i s j u s t o n e a p p r o a c h

t o d i s t r i b u t e d m o d e l i n g a n d m o d e l m a n a g e m e n t ; f o r a s u r v e y o n t h e s e t o p i c s s e e

K r i s h n a n 1 9 9 3 ] .

6 E x t e n s i o n s

W e d i s c u s s n o w s e v e r a l e x t e n s i o n s t o t h e M P l i b r a r y , w h i c h a r e t h e t o p i c s o f c u r r e n t

r e s e a r c h .

M u l t i - d i m e n s i o n a l A r r a y s : A l t h o u g h t h e M P l i b r a r y a l l o w s t h e u s e o f ( s p a r -

s e ) a r r a y s o f n u m b e r s a n d v a r i a b l e s , i t d o e s n o t s u p p o r t m a t r i c e s a n d h i g h e r -

d i m e n s i o n a l a r r a y s . S u c h o b j e c t s c a n b e d e c l a r e d u s i n g r e g u l a r C + + a r r a y s , b u t

s t i l l n o o p e r a t i o n s ( s u c h a s m a t r i x m u l t i p l i c a t i o n ) a r e a v a i l a b l e . F o r a d v a n c e d

u s e o f t h e l i b r a r y , o n e n e e d s a g e n e r a l a r r a y s t r u c t u r e , w h i c h a l l o w s f o r a r b i t r a r y

d i m e n s i o n s , a n d w h i c h p r o v i d e s t h e n a t u r a l o p e r a t i o n s f o r 1 - a n d 2 - d i m e n s i o n a l

a r r a y s , i . e . , v e c t o r s a n d m a t r i c e s .

I n d e x S e t s : B o t h G A M S a n d A M P L h a v e r i c h f a c i l i t i e s f o r d e n i n g o n e - o r

m u l t i d i m e n s i o n a l s e t s a n d s u b s e t s t h e r e o f , a n d f o r d e n i n g d a t a a n d v a r i a b l e s

i n d e x e d b y s u c h s e t s . A g a i n , e x i b l e s e t s t r u c t u r e s a r e i n d i s p e n s a b l e f o r a n y -

t h i n g b u t t h e m o s t t r i v i a l k i n d s o f m o d e l s . I t a p p e a r s t h a t s u c h i n d e x s t r u c t u r e s

c o u l d b e d e n e d u s i n g C + + c l a s s e s . M a n a g i n g ( p o s s i b l y m u l t i d i m e n s i o n a l )

s p a r s e s e t s i s v e r y s i m i l a r t o m a n a g i n g s p a r s e a r r a y s , s o s e t c l a s s e s c o u l d b e

b a s e d o n t h e m a c h i n e r y f o r m u l t i d i m e n s i o n a l a r r a y s . T h e i n d e x i n g o p e r a t i o n

n e e d s t o b e m o d i e d t o a c c e p t i n d i c e s o f s e t c l a s s o b j e c t s , a n d o p e r a t o r s u s i n g

s e t s , s u c h a s s u m m a t i o n s o r p r o d u c t s o v e r s e t s , n e e d t o b e d e n e d .

T y p e I n f o r m a t i o n a n d D i m e n s i o n a l A n a l y s i s : A u t o m a t i c c o n s i s t e n c y

c h e c k i n g a n d t y p e o r u n i t c o n v e r s i o n s h e l p m a n a g e l a r g e m o d e l s o r t h e i n -

t e g r a t i o n o f s e v e r a l m o d e l s . S t r o n g l y t y p e d p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s s u c h a s

P a s c a l o r C + + a s s o c i a t e a t y p e w i t h e a c h d a t u m o r v a r i a b l e i n a p r o g r a m , a n d

1 8


19/20

e n f o r c e t y p e c o n s i s t e n c y . A S C E N D ( P i e l a e t a l . 1 9 9 1 ] ) i s a n e x a m p l e o f a

m o d e l i n g s y s t e m w h i c h a l l o w s t y p e o r d i m e n s i o n a l i n f o r m a t i o n t o b e c o m e p a r t

o f a m o d e l . T y p e i n f o r m a t i o n h e l p s t h e s y s t e m g u a r d a g a i n s t i n c o n s i s t e n c i e s ,

f o r i n s t a n c e a d d i n g a p p l e s a n d o r a n g e s , o r p r o v i d e a u t o m a t i c c o n v e r s i o n , f o r

i n s t a n c e b e t w e e n m e t e r s a n d y a r d s . I t a l s o h e l p s e n f o r c e d o m a i n c o n s t r a i n t s ,

f o r i n s t a n c e t h a t a n o d e - a r c i n c i d e n c e m a t r i x m u s t b e i n d e x e d b y p a i r s o f n u m -

b e r s o f t y p e \ n o d e " . I n C + + t y p e i n f o r m a t i o n c o u l d b e r e p r e s e n t e d b y o b j e c t s

w h i c h c o u l d o p t i o n a l l y b e a s s o c i a t e d w i t h d a t a e l e m e n t s a n d v a r i a b l e s . T h e o p -

e r a t o r s d e n e d o n M P l i b r a r y o b j e c t s , s u c h a s + a n d * , c o u l d t h e n b e e x t e n t e d

t o t y p e - c h e c k ( a t r u n - t i m e ) t h e c o n s i s t e n c y o f o p e r a n d t y p e s , a n d p o s s i b l y p r o -

v i d e s o m e a u t o m a t i c c o n v e r s i o n s .

N o n l i n e a r P r o g r a m m i n g : T h e s y n t a x i n t r o d u c e d a l l o w s f o r w r i t i n g n o n -

l i n e a r e x p r e s s i o n a s p a r t o f c o n s t r a i n t s o r i n t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n . S i n c e t h e

c l a s s l i b r a r y h a s c o m p l e t e c o n t r o l o v e r t h e e x p r e s s i o n s g e n e r a t e d , s y m b o l i c d i f -

f e r e n t i a t i o n r o u t i n e s c o u l d b e d e v e l o p e d w h i c h w o u l d p r o v i d e e x a c t d e r i v a t i v e s

t o a n o n - l i n e a r o p t i m i z e r . A t t h e s a m e t i m e , a d e r i v a t i v e ( o r g r a d i e n t ) f u n c t i o n

c o u l d b e m a d e a v a i l a b l e a t t h e u s e r l e v e l , s o t h a t a m o d e l e r c o u l d w r i t e a n o n -

l i n e a r e x p r e s s i o n , a n d h a v e i t s g r a d i e n t a n d H e s s i a n g e n e r a t e d a u t o m a t i c a l l y .

T h i s w o u l d a i d i n t h e d e v e l o p m e n t o f p r o t o t y p e n o n - l i n e a r a l g o r i t h m s .

7 C o n c l u s i o n

W e h a v e p r e s e n t e d a l i b r a r y o f c l a s s e s a n d d e n i t i o n s w h i c h a l l o w t h e c o n v e n i e n t

f o r m u l a t i o n o f s i m p l e m a t h e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n m o d e l s w i t h i n t h e h i g h - l e v e l p r o -

g r a m m i n g l a n g u a g e C + + . O p e r a t o r s o n t h e m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g o b j e c t s w e r e

d e n e d w h i c h l e d t o a n a t u r a l , m o d e l i n g l a n g u a g e - l i k e s y n t a x f o r d e n i n g e x p r e s s i o n s ,

c o n s t r a i n t s a n d m o d e l s . W e h a v e a l s o p r e s e n t e d d a t a s t r u c t u r e s f o r s t o r i n g a n d m a n -

a g i n g l a r g e , s p a r s e , o n e - d i m e n s i o n a l a r r a y s o f d a t a , v a r i a b l e s a n d c o n s t r a i n t s . F i n a l l y ,

w e h a v e m e n t i o n e d s e v e r a l t o p i c s f o r f u t u r e r e s e a r c h i n t h e a r e a s o f g e n e r a l i z e d a r r a y

s t r u c t u r e s , i n d e x s e t s , t y p e i n f o r m a t i o n , a n d n o n - l i n e a r p r o g r a m m i n g .

R e f e r e n c e s

1 ] G . M . A d e l s o n - V e l s k i i a n d E . M . L a n d i s . D o k l a d y a k a d e m i a n a u k S S S R . S o v i e t

M a t h ( E n g l i s h T r a n s l a t i o n ) , 3 : 1 2 5 9 { 1 2 6 3 , 1 9 6 2 .

2 ] C . R . B i r c h e n h a l l . A d r a f t g u i d e t o M a t C l a s s { a m a t r i x c l a s s f o r C + + . V e r s i o n

1 . 0 D . T e c h n i c a l r e p o r t , U n i v e r s i t y o f M a n c h e s t e r , O x f o r d R o a d , M a n c h e s t e r M 1 3

9 P L , U K , M a y 1 9 9 2 .

1 9


20/20

3 ] R . E . B i x b y . I m p l e m e n t i n g t h e S i m p l e x m e t h o d : T h e i n i t i a l b a s i s . O R S A J o u r n a l

o n C o m p u t i n g , 4 ( 3 ) : 2 6 7 { 2 8 4 , 1 9 9 2 .

4 ] A . B r o o k e , D . K e n d r i c k , a n d A . M e e r a u s . G A M S : A U s e r ' s G u i d e . T h e S c i e n t i c

P r e s s , 2 e d i t i o n , 1 9 9 2 .

5 ] J . O . C o p l i e n . A d v a n c e d C + + P r o g r a m m i n g S t y l e s a n d I d i o m s . A d d i s o n - W e s l e y ,

1 9 9 2 .

6 ] M . A . E l l i s a n d B . S t r o u s t r u p . T h e A n n o t a t e d C + + R e f e r e n c e M a n u a l . A d d i s o n -

W e s l e y , R e a d i n g , M A , 1 9 9 0 .

7 ] R . F o u r e r . M o d e l i n g l a n g u a g e s v e r s u s m a t r i x g e n e r a t o r s f o r l i n e a r p r o g r a m m i n g .

A C M T r a n s a c t i o n s o n M a t h e m a t i c a l S o f t w a r e , 9 ( 2 ) : 1 4 3 { 1 8 3 , J u n e 1 9 8 3 .

8 ] R . F o u r e r , D . M . G a y , a n d B . W . K e r n i g a n . A M P L : A M o d e l i n g L a n g u a g e f o r

M a t h e m a t i c a l P r o g r a m m i n g . S c i e n t i c P r e s s , 1 9 9 3 .

9 ] A . G e o r i o n . R e u s i n g s t r u c t u r e d m o d e l s v i a m o d e l i n t e g r a t i o n . T e c h n i c a l r e p o r t ,

U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , L o s A n g e l e s , 1 9 9 0 . W o r k i n g P a p e r N o . 3 6 2 .

1 0 ] B . W . K e r n i g a n a n d D . M . R i t c h i e . T h e C P r o g r a m m i n g L a n g u a g e . P r e n t i c e - H a l l

S o f t w a r e S e r i e s , 1 9 7 8 .

1 1 ] R . K r i s h n a n . M o d e l m a n a g e m e n t : S u r v e y , f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s a n d a b i b -

l i o g r a p h y . O R S A C S T S N e w s l e t t e r , S p r i n g 1 9 9 3 .

1 2 ] K . M . W e s t e r b e r g P . C . P i e l a , T . G . E p p e r l y a n d A . W . W e s t e r b e r g . A S C E N D : A n

o b j e c t - o r i e n t e d c o m p u t e r e n v i r o n m e n t f o r m o d e l i n g a n d a n a l y s i s : T h e m o d e l i n g

l a n g u a g e . C o m p u t e r s i n C h e m . E n g . , 1 5 ( 1 ) : 5 3 { 7 2 , 1 9 9 1 .

1 3 ] R . J . V a n d e r b e i a n d T . J . C a r p e n t e r . S y m m e t r i c i n d e n i t e s y s t e m s f o r i n t e r i o r

p o i n t m e t h o d s . M a t h e m a t i c a l P r o g r a m m i n g , 5 8 : 1 { 3 2 , 1 9 9 3 .

1 4 ] N . W i r t h . A l g o r i t h m s + D a t a S t r u c t u r e s = P r o g r a m s . P r e n t i c e - H a l l S e r i e s i n

A u t o m a t i c C o m p u t a t i o n , 1 9 7 6 .

2 0

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