子集和问题的O(1.414n)链数DNA计算机算法

随着DNA计算机研究的不断深入,如何克服DNA生物计算中穷举法的极限已成为DNA计算研究的重要内容之一.为设计可扩展的子集和问题DNA计算机算法,文中将Aldeman-Lipton模型的操作与粘贴模型的解空间结合,引入荧光标记和凝胶电泳技术,通过设计DNA并行搜索器,提出一种求解子集和问题的DNA计算机模型和算法.与已有文献结论的对比分析表明:文中算法在保持多项式生物操作复杂性的条件下,将穷举算法中的DNA分子链数从O(2n)减少至O(1.414n),其中n为子集和问题的维数.因此,文中算法理论上在试管级生化反应条件下能将可破解子集和公钥的维数从60提高到120.     

一种最大匹配问题DNA计算算法

DNA计算作为基于生化反应的一种新的计算模式,凭借其巨大的并行性和海量的存储能力已经成为解决NP难题的潜在解决方案之一.把传统计算机中的剪枝技术引入到DNA计算算法的设计中,提出一种基于Adleman模型生物操作与粘贴模型解空间的最大匹配问题DNA计算新算法.算法由图编排器、预解空间生成器、匹配生成器及最大匹配搜索器组成.与已有同类算法的对比分析表明:该算法在保持多项式操作时间的条件下,将求解最大匹配的解空间从O(2m)减少到O(1.618m),将DNA计算机在试管内可求解的最大匹配问题的规模从60(260≈1018)提高到86(1.61886≈1018).同时,与传统的穷举算法相比,该算法具有高效的空间利用率及容错技术的优点.     

一种基于DNA计算的指定结点路由算法

带指定结点约束的路由问题是一个NP难问题,该问题是电信行业路山智能化和交通电力运输等领域的关键问题之一.基于DNA计算的高度并行性,文中提出一种将电子计算机与DNA计算机相结合的方法求解指定结点路由问题.算法由转化算法Transform()、首末结点搜索切割算法FirstEndSearcher()、转化图结果搜索算法DNASearcher()和结果读取算法ResultReader()共4个子算法组成.分析表明:算法的电子计算机部分缩小了问题结点和边的规模,从而使解决问题所需的DNA分子链数数量级从O((n-2)!)减少至O((m-2)!)(n≥2为图中结点数,m≥2为图中指定必经结点数).算法的DNA计算机部分采用了有针对性的DNA编码新方案,提高了边权值编码的信噪比,通过一系列生物操作,筛选出问题的精确解.和单纯DNA超级计算或电子计算机指定结点路由算法相比,文中算法可显著扩大理论上待求解问题的规模.     

基于分治的背包问题DNA计算机算法

如何减少DNA计算机在求解大型难解问题中以问题输入纯指数增长的DNA链数,已成为DNA计算机研究的重要内容.将分治策略应用于背包问题的DNA分子计算中,提出一种求解背包问题的新的DNA计算机算法.算法由n位并行减法器、n位数据搜索器和其他4个子算法组成.算法的DNA链数可达到亚指数的O(2q/2),其中q为背包问题的维数.与最近文献结论进行的对比分析表明:算法将求解背包问题所需的DNA链数从O(2q)减少至O(2q/2),最大链长度减少为原来的1/2,因此,理论上新算法在试管级水平上能将可破解的背包公钥的维数从60提高到120.     

Fast Parallel Molecular Algorithm for Solving the Discrete Logarithm Problem over Group on Zp+ DNA-based Computing

加群Zp+上离散对数问题在公钥密码系统分析中具有非常广泛的应用.研究一种加群Zp+上离散对数问题的DNA计算算法.算法主要由解空间生成器、并行乘法器、并行加法器、解转换器及解搜索器组成.其中解空间生成器借鉴传统计算机中3表算法的思想,将解空间的生成分为3个部分来完成,极大减少了非法解的搜索空间.本算法的生物操作时间复杂度为O(k2),需要O(1)个试管数、O(2k)条DNA链,最长DNA链长为O(k2)(其中k为加群上离散对数问题群阶p的二进制编码位数).最后,通过DNA计算通用的试验方法对算法进行了仿真,验证了算法的可行性和有效性.     

基于自组装模型的最大团问题DNA计算算法

DNA计算在解决NP完全问题时,有着传统图灵机无法比拟的优势.但是随着DNA计算研究的不断深入,传统DNA计算模型显现出杂交错误率和生化操作复杂性过高的缺点.如何提高DNA计算结果的准确性在DNA计算研究中日显重要.针对NP完全的最大团问题,引入DNA自组装模型,提出了一种求解最大团问题的DNA计算算法.算法通过减少实验的操作步骤数,以降低生化解的错误率,给出了DNA分子的编码方案及结果检测的实验方法.算法设计的tiles种类为(O)(n+|E|),生化操作复杂性为(o)(1),其中n为图的顶点数,|E|为边数.与求解最大团问题的其他DNA算法的对比分析表明,本算法不仅明显提高了生化解的准确性,且算法的生化实验复杂度低,具有良好的实验操作性.     

一种加群Z上离散对数问题的DNA计算算法

加群Zp+上离散对数问题在公钥密码系统分析中具有非常广泛的应用。研究一种加群Zp+上离散对数问题的DNA计算算法。算法主要由解空间生成器、并行乘法器、并行加法器、解转换器及解搜索器组成。其中解空间生成器借鉴传统计算机中3表算法的思想,将解空间的生成分为3个部分来完成,极大减少了非法解的搜索空间。本算法的生物操作时间复杂度为O(k2),需要O(1)个试管数、O(2k)条DNA链,最长DNA链长为O(k2)(其中k为加群上离散对数问题群阶p的二进制编码位数)。最后,通过DNA计算通用的试验方法对算法进行了仿真,验证了算法的可行性和有效性。     

基于质粒分子数子集O（1．414^n）DNA计算机算法

文章提出了一种求解背包问题的新的基于质粒DNA计算机算法.本算法的DNA链数可达到亚指数的O(1.414n),其中n为背包问题的维数.将提出的算法与已有文献结论进行的时比分析表明:本算法将穷举算法中所需的DNA链数从O(2n)减少至O(1.414n),因此利用本DNA计算机算法在试管级水平上能将可破解的背包公钥的维数从60提高到120,显示出了一定的优越性.     

粘贴模型在两类特殊问题中的改进算法研究

为了避免对初始解空间的复杂过滤,同时充分利用粘贴模型在生物操作过程中的优越性,设计了基于粘贴模型的改进DNA算法.对于最小支配集问题和最小顶点覆盖问题,算法设计可以直接生成可满足解的解空间,使解空间的规模小于O(2n),从而简化最优解的筛选.通过具体实例说明了该算法的可行性.     

一种改进的最大团问题DNA计算机算法

随着DNA计算的不断发展,如何克服穷举算法带来的指数爆炸问题已成为DNA计算领域的重要研究目标之一．将图灵机中的剪枝算法设计技术应用于最大团问题的DNA计算中,提出一种最大团问题的新DNA计算机算法．算法由顶点度数搜索器、团生成器、稀疏图与稠密图并行搜索器以及最大团搜索器组成．与已有文献同类算法的对比分析表明：文中算法在保持多项式操作时间的条件下,将求解n个顶点的最大团问题所需DNA分子链数从现有文献的O（2^n）减少至O（√3^n）,同时文中算法还具有高效的空间利用率及容错能力的优点．     

On the scalability of biocomputing algorithms: The case of the maximum clique problem

The paper aims at demonstrating and confirming that breadth first search or pruning techniques can substantially improve the effectiveness of biomolecular algorithms. A breadth first search-based DNA algorithm solving the maximum clique problem for a graph is presented, and its complexity and scalability parameters are studied. The analysis shows that parameters like the number of steps, the length and volume of DNA strands, the number of enzymes and the concentration of the molecules encoding solutions are dramatically improved in comparison with previous approaches to the same problem and, theoretically, they would allow to process graphs with thousands of vertices. These parameters are also compared with several related results focusing on the scalability of DNA computing methods. Finally, an analysis of error-resistance of the algorithm is given.     

旅行商问题的闭环DNA算法

旅行商问题TSP是NP完全问题,在工程实践中有着广泛的应用,利用常规算法很难在多项式时间内解决。DNA计算是一种新兴的计算模式,与生俱来的强大并行计算能力使得它在解决众多NP问题上表现出了巨大的优势。尝试利用DNA计算中改进的闭环模型解决TSP问题。首先介绍了闭环DNA 计算模型及其改进;随后提出了一种基于改进的闭环模型求解TSP问题的算法,并对算法的实验过程进行了详细的描述;最后运用该算法解决了一个小规模的TSP问题算例,结果表明,该算法能在较低的时间复杂度内有效地解决TSP问题。     

图的最大团与最大独立集粘贴DNA计算模型

粘贴模型(stickermodel)是DNA计算中一个很重要的模型.其主要原理就是采用单双链混合型DNA分子进行编码,其优点在于在生物操作过程中不需要DNA链的延伸,不需要生物酶的作用以及DNA链可重复使用等,因此引起了来自不同学科的学者们的广泛关注与兴趣.文中提出了一种求解图的最大团问题的DNA计算模型,该模型采用了两种基本并行计算处理思想,一种是将图分解成小的子图来处理的并行思想;另一种是进行并行生物操作.     

图顶点着色问题的DNA计算模型

DNA计算是以DNA分子作为数据的一种新型计算模式.为了减少DNA计算中编码的数量,不降低生化实验操作的可靠性,文中建立了一种基于酶切技术和PCR技术的图顶点着色DNA计算模型,给出了实现该模型的双编码的编码方案.分析表明,利用酶切技术和PCR技术能够有效删除非解并读取真解.该模型的解的检测方法类似于DNA测序技术,使得该模型更容易实现自动化操作.     

基于DNA折纸术求解可满足性问题的计算模型

DNA折纸术是一种全新的DNA自组装方法,具有可编程性、纳米可寻址性等优点,被广泛地应用于DNA计算中.利用DNA折纸术可折叠出特殊结构的特点,在DNA折纸基底上设计了一种求解可满足性问题的计算模型,该模型采用分子信标原理,通过观察荧光的明灭排除非解,从而找出可满足性问题的解.最后通过实例和模拟仿真表明了模型的可行性.     

赋权图上优化问题的DNA计算方法研究

对赋权图上经典优化问题的DNA计算方法进行探讨,改进原有DNA计算模型中的权值编码方法,提出一些新的DNA编码方法及DNA算法．具体地说,通过设计赋权无向图的相对长度图给出了旅行商问题的一种相对长度DNA编码方法及DNA算法,通过设计赋权无向图的广义边图给出了中国邮递员问题的一种广义边图DNA编码方法及DNA算法,通过选取DNA序列的最佳逆补比对给出了最小生成树问题的一种基于逆补比对的DNA编码方法及DNA算法,通过设计从顶点覆盖问题到Hamilton回路问题的一种改进多项式变换给出了顶点覆盖问题的一种基于多项式变换的DNA编码方法及DNA算法．所设计的DNA计算方法提高了DNA计算中表示数值和处理数值的能力．     

Solving the minimum bisection problem using a biologically inspired computational model

The traditional trend of DNA computing aims at solving computationally intractable problems. The minimum bisection problem (MBP) is a well-known NP-hard problem, which is intended to partition the vertices of a given graph into two equal halves so as to minimize the number of those edges with exactly one end in each half. Based on a biologically inspired computational model, this paper describes a novel algorithm for the minimum bisection problem, which requires a time cost and a DNA strand length that are linearly proportional to the instance size.     

粘贴与删除系统求解最短有向路的DNA计算模型

最短有向路问题是在一个有向网络中的两个指定顶点之间找出一条具有最小权的有向路,它在工程实践中具有广泛的应用。粘贴系统与删除系统是DNA计算形式模型中的两种基本模型。论文利用粘贴与删除系统的巨大并行性给出了求解图最短有向路问题的DNA计算模型及其实现算法。     

DNA折纸术在0-1背包问题中的应用

DNA折纸术因其反应的可编程性、纳米可寻址性等优点被广泛地应用于DNA计算中。利用DNA折纸术和杂交链式反应构建0-1背包问题的计算模型。以四个变量的0-1背包问题为例,首先将九种发夹结构和一种分子信标锚定在DNA折纸基底上并加入足量的辅助链;其次通过加入不同的引发链可以触发不同路径上的杂交链式反应,并得到问题的所有可能解;最后,通过荧光信号的数量确定可行解,从而找到问题的最优解。该模型不受权重过大或过小的影响,在折纸基底上可等比例的缩放权重。用Visual DSD软件对该模型进行仿真,模型显示出良好的可行性。