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O2602190 TheUniversityofTbkyo *MIYÅSHIRORyuhei O1605000 TheUniversityofTbkyo MATSUITbmomi

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(1)

侶コ窃=瑠  

田本オペレーションズ0リサーチ学会  

2¢04年容季節究発乗合  

TheBreakMinimization Problem   

O2602190 TheUniversityofTbkyo *MIYÅSHIRORyuhei  

O1605000 TheUniversityofTbkyo MATSUITbmomi  

In this abstract,We prOVe a previously proposed  

COnjecture about the bl%k minimization prDblem,  

Whichisaproblemintheareaofsportsscheduling.  

VVe consider around−rObin tournament that sat−  

isfiesthefo1lowlngprOperties:  

Othenumberofteamsis2nandthatofslotsis2n−1;  

OeaChteamplaysonegameineachslot;  

OeaChteamplayseveryotherteamonce;  

OeaChteamhasitshomeandeachgameisheldat   

thehomeofoneoftheplayingtwoteams.  

Figurelis a schedule of a tournament satisfying  

theseproperties.Inthefigure,eaChgamewith @    means that the game is held at the home of the 

OpPOnent;without ◎ meansthatthegameisheld   atthehomeoftheteamcorrespondingtotherow.  

Fbr example,team4plays team2at the home of   team2inslot3.   

Ifateam plays either both at homeorboth at  

awqyinslots sand s+1,itis said that theteam   has a break at slot s+1.h a schedule,a break   isexpressedasanunderlineataslotwhereabreak  

OCCurS.Fbrexample,inFig.1,team3playsathome   inslotsland2,andwesaythatteam3ha5abreak  

atslot2.htotal,theschedulehassixbreaks.   

Given aschedule without a home−aWay aSSlgn−  

ment,anOrganizerofthetournamentshoulddecidea  

home−aWayaSSignment,Whichthenumberofbreaks   dependson.Fbrapracticalreason,anOrganizergen−  

erallyprefbrsahome−aWayaSSignmentinwhichthe  

numberofbreaksissma11.Inthiscontext,thebreak   minimizationproblemisde丘nedasfo1lows.   

Break  

Inpu七‥ A schedulewithout ahome−aWay aSSlgn−  

ment.  

Ouもp血:A home−aWqy aSSignment consistent to  

the given input and in which the number of 

breaksis minimized.   

The schedule without a home−aWay aSSlgnment Of  

Fig.2isaninputforthebreakmimimi2;ationprob−  

1em.AlthoughthescheduleofFig.1showsafbasible   home−aWayaSSlgnmentfortheinput,itis subopti−  

mal.ThescheduleofFig.2isanOPtimalsolution,  

Whoseoptimalvalueisfbur.   

There are some previous results on the break  mimimizationproblem.R6ginsoIvedupto20teams  

instances with constraint programming t5】・取ick  

︶  t  

O  

I   S  

︵  5  

4  

3  

2  1   4 3 2 1一6一5 ◎  @  ◎   2 1 5 亡U 3 4   ◎  @◎   

5一4一6 2 1 3 ◎  ◎@   

3一6 1一5 4 2 ◎     ◎◎   

6 5 4 3 2 1 ◎@  ◎  

1 2 3 4  

Figurel.Aschedulewithsixbreaks  

proposed integer programming formulations and 

SOIvedinstancesupto22teamS[6]・Elf,J仏ngerand   RinaldiformulatedthisproblemasMAXCUT,and  

SOlvedinstancesupto26teams[3】・Theauthorsfor−  

mulatedthisproblemaBMAXRESCUT,andpro−  

posed analgoritlmbased on positive semidefinite   programmingrelaxation[4】.   

Therearesomeopenproblemsabout thebreak  

minimization problem.Althoughitis conjectured   that the breakminimization problemis NP−hard,  

the complexity status of this problem is not yet 

determined.Concernlng the complexity,Elfetal.  

reportedthefo1lowingresult【3】‥theirin5tanCeSOf   the bresbk minimizaeion problem were solved very  quicklywith their method when theinstanCeS had  

theoptimalvalue2n−2・(Thevalue2n−2is a  

lowerboundoftheobjectivevalueforanyinstanceof   2nteams,becauseascheduleof2nteamsha5atleast  

2n−2breaks f2]・)Accordingtotheirexperience,  

theyconjecturedthatthebreakminimizationprob−  

lemissoIvableinpolynomialtimeifaglVeninstanCe   Of2nteamshastheoptimalvalue2n−2.   

Weprovetheirco可ectureafRrmativelybyshow−  

ingthatthefo1lowingproblemPIcanbesoIvedin   polynomialtime.   

Problem Pl  

Imp血:A schedule of2n teams andwithout a  

home−aWqyaSSignment.  

Outpu七:A home−aWay aSSignmentwith2n−2  

breaks,ifexists;elseinfeasible.   

Inthe払Ilowing,WeShowthatProblemPlissoIvable   inO(n3)steps.FbrProblemPl,WedefineSubprob−  

1em Pl(k)asfo1lows(k∈T,WhereTis aset of   teams,i・e・(1,2,・・・,2n))・ItisnotdifRculttosee  

−176−   

© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(2)

Xt,S∈(TRUE,FALSE)  

現,8=FALSE   エ土,β≠ち(t,βい  

「ごt,8V∬t,叶1   

∬t,β−1Vr∬t,5    ごり∨エt,2れ−1  

︶  ︶   ︶  J g g ︐  . 

外  

∈ ∈ ∈ ∈ ∈  

⊥ん ぐU・TV・ナし β ∀ ∀ ∀ ∀ ∀  ︵ ︵ ︵ ︵  

2   5  4 3 2 1 6 5  2 1 5 6 3 4  5 4 6 2 1 3  

3 6 1 5 4 2  

ごU 5 4 3 2 1  

1 2 3 4 5 6   ︸ 呵>  ︷ β  \  r鼠  ∈ ∈  ・ナし OU ∀ ∀  ︵    ︶  

■レ  

︻∂  

(∀f∈r\(り),  

where   

T(t,S):theteamwhichteamtplaysatslotsin   theinputofPl′(k);   

Sk.t‥theslotatwhichteamkplaysteamtinthe   inputofPl′(k)・  

Each of the constraints can be represented as  

Clause(s)withtwoliterals;thenumberofvariables   andthatofclauseswithtwoliteralsarebothO(n2).  

Since2SATwithpliteralsandqclausesissoIvable  

inO(p+q)steps[1】,ProblemPl (k)canbesoIved   in0(n2)steps,andhenceProblemPlissoIvablein   0(れ3)steps.   

References   

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【2】D.de Werra:Geography,Gamesand Graphs.   

β由crefeAppJ豆ed〟α仇emα而cβ,2(1980)327−337・  

【3】M・Elf7M・Jdngr 

. 

エe操erβ,31(2003)343−349・  

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mlngBasedApproachestothelBreakMinimlZa−   

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CalReports,METR2003−28(Department of    MathematicalInformatics,Graduate Schoolof   

InformationScienceandTbchnology,TheUniver−   

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Constraint Programming.InE.C.Fteuderand    R.J・Ⅵね1lace(eds.):Construint Prpgrummin9    andLaryeScaleDisc†℃teOptimization(DIMACS   Seriesin Discrete Mathematics and Theoretical   

Computer Science,57,AmericanMathematical    Society,2001),115−130.  

【6]M・A・nick:ASchedule−Then−BreakAppr?aCh   

toSportsTimetabling.InE.BurkeandW.Erben   

(eds.):Pmc亡戎ααれdmeo相可At血mαねd乃me−   

tablin9IH(LectureNotesinComputerScience,   

2079,$pringer,2001),242−253.  

2   5  

5 4一ごじ一2 1 3 @  ◎◎  

3 ごU 1 5 4 2  ◎  @◎  

ごU 5 4 3 2 1 ◎@  ◎   4 3 2 1一ごじ一5 ◎  ◎  ◎  2 1 5 6 3 4  

1 2 3 4 5 ごU   @  ◎@  

Figure2・Aschedulewithoutahome−aWayaSSlgn−  

mentandanoptimalasslgnment・  

thatProblemPlisfeasibleifandonlyifatleastone   OfPl(1),Pl(2),‥.,andPl(2n)isfeasible.  

SubproblemPl(k)  

Input:ThesameinputasthatofProblemPl.  

Output:A home−aWay aSSignment with2n−2  

breaks andin which team k haB nO break and  

playsathomeinslotl,ifexists;elseinfeasible.   

ThefbasibilityofSubproblemPl(k)isequivalent   tothatofSubproblemPl′(k)definedbelow.Inaddi−  

tion,.afbasiblehome−aWayaSSignmentofPl(k)can   beconstructedfromthatofPl′(k),byalternating   homewithawayinal1evenslots・(Moregenerally,  

thefo1lowing statement holds:by the above men−  

tionedalternation,anOptimalsolutionofthebreak   minimizationproblemisobtained from thatofthe  

breakmaximizationproblemandviceversa・)  

SubproblemPl′(k)  

Input:ThesameinputasthatofProblemPl.  

Output‥Ahome−aWayaSSignmentwith2n(2n−  

2)−(2n−2)breaksandinwhichteamkhas  

2n−2breaks and plays at homein slotl,if   exists;elseinfeaBible・(Inotherwords,teamk   playsonlyathomeandeveryotherteamhasat  

mostone non−break・ )   

NowweformulateSubproblemPl′(k)(k∈T)as   2SAT・LetSbeasetofslots,i・e・(1,2,・・・,2n−1)・  

Wedefine aBoolean variablext,S(t∈T,S∈S)  

asfo1lows= a Variable xt,Sis FALSEifand onlyif   teamtpl如sathomeinslots.Then,aninstanceof   SubproblemPl′(k)canbetranSfbrmedasfollows.  

−177−   

© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

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